ELEMENTI AUTOMATIZACIJE POSTROJENJA

1. A/D pretvarači. D/A pretvarači. Mikrokontroleri. ELEMENTI AUTOMATIZACIJE POSTROJENJA

2. PM motori Koračni motori Predavanje 9 - EAP Prethodno predavanje

3. Uzimanje uzoraka iz kontinuiranog signala A/D pretvarači D/A pretvarači Predavanje 9 - EAP SADRŽAJ

4. Uzimanje uzorka iz kontinuiranog analognog signala Predavanje 9 - EAP SAMPLE AND HOLD Sklop za uzimanje uzorka analognog signala i njegovo pamćenje

5. Upravljanje – frekvencija uzorkovanja • Napon na kondenzatoru • Pražnjenje kondenzatora – engl. leakage Predavanje 9 - EAP SAMPLE AND HOLD

6. Načelo rada analogno/digitalnog pretvornika. A/D pretvornik ne pretvara u digitalni oblik cjelokupan analogni signal već samo uzorke u vremenu Predavanje 9 - EAP A/D pretvarači Uzorkovanje analognog signala u vremenu.

7. Gustoća uzorkovanja odrediti će kvalitetu "praćenja" oblika analognog signala. • Između dva uzorkovanja vrši se pretvorba veličine uzorka u binarnu kombinaciju. • To znači da će se za 8 bitne binarne kombinacije veličini uzorka moći pridružiti jedna od 256 binarnih kombinacija. • Povećani broj bita u kombinaciji omogućiti će finije "praćenje" veličine uzorka - razlučivost. • Veća gustoća uzorkovanja i veća razlučivost usložnjavaju izradu A/D pretvornika. Predavanje 9 - EAP A/D pretvarači

8. Predavanje 9 - EAP A/D pretvarači

9. Metode A/D pretvorbe: • Wilkinsonova metoda • Temelji se na pretvorbi amplitude ulaznog signala u vrijeme, a zatim se mjerenjem tog vremena dobije binarni broj. • Metoda sukcesivne aproksimacije • mjereni ulazni napon uspoređuje sa sumom stepeničastih naponskih koraka tako dugo dok ta suma ne bude približno jednaka mjerenoj ulaznoj veličini. Pritom su ti stepeničasti koraci promjenljive veličine. Predavanje 9 - EAP A/D pretvarači

10. A/D pretvornik zasnovan na načelu usporedbe promatranog ulaznog signala s poznatim pilastim signalom jedan je od najjednostavnijih načina Predavanje 9 - EAP A/D pretvarači Wilkinsova metoda

11. Prema opisanom načelu rada jasno je da će vrijednost uzorka prilikom brojanja uvijek biti manja od stvarne vrijednosti ulaznog analognog napona, jer brojanje prestaje u momentu izjednačavanja pilastog i mjerenog napona. • Vrijeme potrebno za A/D konverziju nije konstantno. Predavanje 9 - EAP A/D pretvarači

12. Generator sukcesivne aproksimacije - konstantno vrijeme konverzije, brži. • Brzina pretvorbe do 5 Msps, razlučivost 8-16 bita. • Pretvorba se obavlja postupkom binarnog pretraživanja. Predavanje 9 - EAP A/D pretvarači

13. Primjer komparatora realiziran pomoću jednog operacijskog pojačala Predavanje 9 - EAP A/D pretvarači

14. Sigma – delta pretvarači. • Brzina pretvorbe do 1 Msps (tipično 0,1 Msps), razlučivost 14-20bita). • Ulazni signal se kompenzira u povratnoj vezi preko 1-bit A/D i D/Apretvarača frekvencijom višestruko većom od osnovne frekvencijeA/D pretvarača. • Gustoća logičkih jedinica u signalu y(n)proporcionalna je vrijednosti ulaznog signala. Predavanje 9 - EAP A/D pretvarači

15. Flash ADC • Naziva se i paralelni A/D pretvarač • Koristi niz komparatora, a svaki komparator uspoređuje ulazni signal s jedinstvenim referentnim naponom. • Izlazi komparatora povezani su s enkoderom koji za izlaz ima binarni broj Predavanje 9 - EAP A/D pretvarači

16. Flash ADC • Primjer 3-bitnog flash AD pretvarača: • velika brzina pretvorbe (većaod 1Gsps) • mala razlučivost(do 8 bita) • pretvorba se obavlja u jednomkoraku • pretvarač sadrži 2N-1komparatora • naponsko djelilo sa 2Notpornika generira referentnenapone s kojima seuspoređuje ulazni napon Predavanje 9 - EAP A/D pretvarači

17. Višekanalni mjerni sustav s objedinjenim podsustavima: Predavanje 9 - EAP A/D pretvarači

18. Multiplekseromogućava da se u pravilnim vremenski razmacima omogući diskretno praćenje svih fizikalnih veličina na ulazu. • Komponente-podsustavi koje slijede iza multipleksera imaju slijedeću zadaću: 1. Pojačalo s filtrom • Pojačalo ima zadaću pojačati ili smanjiti ulazni analogni signal na odgovarajuću veličinu. • Često se koristi normalizirana vrijednost na izlazu iz pojačala. • Filtar ima zadaću da otkloni sve više harmonike povrh frekvencije uzorkovanja. Predavanje 9 - EAP A/D pretvarači

19. 2. S/H (Sample & Hold) sklop • Sample&Hold sklop ima zadaću da u trenutku uzorkovanja očita vrijednost analognog signala na ulazu je ga zadrži sve do narednog uzorkovanja. • Na neki način djeluje kao memorija za pamćenje analogne vrijednosti između uzorkovanja kako se na ulazu u A/D sklop ne bi mijenjala vrijednost tijekom pretvorbe. Predavanje 9 - EAP A/D pretvarači

20. A/D pretvornik • Analogno-digitalni pretvornik će u vremenu između dva uzorkovanja izvršiti pretvorbe analogne vrijednosti u binarni zapis, najčešće u BCD kodu. Port računala • Port računala je međusklop (kanal) koji binarnu vrijednost isporučuje na sabirnicu računala i zadaje se kao brojčana vrijednost prema preporuci proizvođača. • Moguće je da će trebati povesti računa da ne dođe do IRQ konflikta. Predavanje 9 - EAP A/D pretvarači

21. Digitalno analogni (D/A) pretvarač predstavlja sučelje između digitalnih i analognih sustava. • Digitalno analogni pretvarač prihvaća na svom ulazu n bitni paralelni digitalni kod, a na izlazu daje odgovarajuću analognu vrijednost napona ili struje. Predavanje 9 - EAP D/A pretvarači

22. Unatoč mnogim prednostima koje imaju digitalno kodirani signali, ipak je analogni prikaz u mnogo slučajeva povoljniji. • Primjer: cjelokupnim uvidom u skalu mjernog instrumenta može brzo odrediti prema položaju kazaljke instrumenta gdje je otprilike mjerena veličina u odnosu na promatrani mjerni opseg. • Načini realizacije D/A pretvarača su vrlo raznoliki ali u načelu koriste mrežom otpora ili mrežom strujnih izvora u takozvanoj paralelnoj pretvorbi kada se u jednom koraku binarnoj kombinaciji dodjeljuje izlazni signal. Predavanje 9 - EAP D/A pretvarači

23. Predavanje 9 - EAP • Iznos analognog izlaznog napona n bitnog ulaznog binarnog koda slijedi iz izraza • pri čemu je Viz = analogni izlazni napon; Vref = referentni analogni ulazni napon; b0 = bit najveće težine ulaznog binarnog koda; bn-1 = bit najmanje težine ulaznog binarnog koda D/A pretvarači

24. Predavanje 9 - EAP • Operaciono pojačalo se koristi na izlazu sklopa radi strujno naponske pretvorbe. • Kod primjena koje zahtjevaju brze D/A pretvorbe uz ograničeno područje izlaznog napona, strujno naponska pretvorba se ostvaruje pomoću otpornika, čime se uklanja kašnjenje u radu operacionog pojačala. D/A pretvarači

25. Digitalno-Analogni pretvornik s težinskim otporima: Predavanje 9 - EAP D/A pretvarači

26. Naziv paralelna pretvorba dolaziod toga što se istovremeno na sve sklopke dovode odgovarajući bit-ovi od LSB do MSB bit-a (bit-ovi najveće i najmanje težinske vrijednosti). • Sklopkama upravljaju binarne kombinacije, u primjeru sa slike veličine 4 bit-a. • Sklopke po izvedbi mogu biti elektromehaničke ili elektroničke, češće ove druge. • Odnos izlaznog i ulaznog (referentnog) napona pojednostavljeno se može prikazati matematičkim izrazom: Predavanje 9 - EAP D/A pretvarači

27. Nedostatak prikazanog sklopa je u tome što se zahtijevaju točni odnosi između pojedinih otpornika. • Posljedica: radije se pribjegava takozvanoj R-2R otpornoj mreži koja koristi samo dvije vrijednosti otpornika što je tehnološki čini jednostavnijom za izradu. Predavanje 9 - EAP D/A pretvarači

28. Svaka sklopka s prethodne slike doprinosi svojom težinskom komponentom vrijednosti izlaznog napona, što dovodi do izlaznog napona koji je proporcionalan ulaznom binarnom kodu. • Pretvarač je praktičan za izvedbu, brz i pouzdan u radu. Predavanje 9 - EAP D/A pretvarači

29. Primjer osam bitnog R-2R D/A pretvarača predstavlja integrirani krug AD558. Predavanje 9 - EAP D/A pretvarači Complete 8-bit DAC Voltage Output-2 Reference Single-Supply Operation: +5 V to +15 V Full Microprocessor Interface Fast: 1 ±s Voltage settling to ±1/2 LSB Low Power: 75 mW No User Trims Guaranteed Monotonic Over Temperature All Errors Specified Tmin to Tmax Small 16-Pin DIP and 20-PIN PLCC Packages Single Laser-Wafer-Trimmed Chip for Hybrids

30. Primjer osam bitnog R-2R D/A pretvarača predstavlja integrirani krug AD558. Predavanje 9 - EAP D/A pretvarači

31. Mikrokontroleri su elektronički uređaji koji slično kao i računala, imaju zadaću da zamjene čovjeka u kontroli dijela proizvodnog procesa ili gotovo cijelog proizvodnog procesa. • PC • standardni ulaz: tipkovnica i miš (eventualno igrača palica) standardni izlaz: monitor ili tiskač • Mikrokontroler • Standardni ulaz i izlaz? • Mikrokontroleri uglavnom dizajnirani za specifične zadaće vrlo raznolike od slučaja do slučaja. Predavanje 9 - EAP mikrokontroleri

32. Ulazi mikrokontrolera: • analogni • digitalni • Podatke isporučuje nekakav mjerni pretvornik (senzor). Predavanje 9 - EAP mikrokontroleri

33. Izlazi iz mikrokontrolera: • analogni • digitalni • Analogni izlazi, bilo naponski ili strujni, mogu se elektromehaničkim sklopovima pretvoriti u neku korisnu radnju kao promjena položaja nekog predmeta, povećanje brzine vrtnje motora i slično. • Najjednostavniji primjer je lampica upozorenja koja upozorava čovjeka na promjenu ili neispravnost. Predavanje 9 - EAP mikrokontroleri

34. Ulaz i izlaz mikrokontrolera nije isključivo vezan na komunikaciju sa strojem. • Vrlo rijetko kontroler nema neki vid komunikacije prema korisniku, na primjer s lampicama ili s digitalnim pokazivačem. • Nisu rijetki slučajevi da se za komunikaciju s čovjekom koristi računalo tipa PC. • Mikrokontroleri prema načinu izrade i komunikacije s okolišem mogu svrstati u jednu od dvije osnovne kategorije: • Mikrokontroler kao samostalna upravljačka jedinica • Mikrokontroler kao osobita kartica u jednom od utora PC računala, Predavanje 9 - EAP mikrokontroleri

35. Mikrokontroler radi na načelu vrlo bliskom računalu. • On je u istinu malo računalo, a složenost mu ovisi o složenosti zadaće koju ima nadzirati Predavanje 9 - EAP Mikrokontroleri: blok-shema

36. Koje će sve elemente sadržavati i koliko moćne ovisiti će o njegovoj namijeni. • CPU je jednostavniji od sklopova namijenjenih PC konfiguracijama, obično nekad popularni Zilog-Z80 ili neki iz porodice INTEL- ovih procesora. Predavanje 9 - EAP Mikrokontroleri

37. Relativno mali radni takt reda 10MHz • Mali broj jednostavnih instrukcija, red veličine oko 100 • Radna memorija (RAM) reda KB • Stalna memorija s programskim kodom u PROM ili EPROM izvedbi • Brojači različitih namjena kao sat, brojač impulsa i drugi • Brojač za nadzor ispravnog rada - WDT (Watch Dog Timer) • Ulazno/Izlazni kanali (port-ovi) za prihvat i slanje podataka • A/D i D/A pretvornici razlučivosti prema namjeni, uobičajeno 8 bit-ni • Širok raspon napona napajanja • Svi navedeni elementi ne moraju biti nužno zastupljenu u mikrokontroleru. • Od namjene mikrokontrolera ovisiti će njegov izbor te će jedni imati više U/I port-ova, a drugi više multipleksiranih A/D pretvornika i slično. Predavanje 9 - EAP Mikrokontroleri - svojstva

38. Predavanje 9 - EAP Mikrokontroleri - Primjer:Siemens SAB 80535

39. Predavanje 9 - EAP • 8 bit-ni mikrokontroler (CPU) i proizvodi se u dvije verzije, 80515 i 80535. • Prva sadrži programsku memoriju (ROM) ugrađenu u mikrokontroler i izrađuje se po narudžbi s željenim programskim kodom. • Druga ne posjeduje ugrađenu programsku memoriju već se ona dodaje izvana. • Po ostalim elementima potpuno su identični. Mikrokontroleri - Primjer:Siemens SAB 80535

40. Predavanje 9 - EAP • Vrijeme izvršavanja instrukcije: 1 mikrosekunda • Radni takt: • 12MHz kojeg daje oscilator s kristalom kvarca dodanim izvan čip-a. • 256 Bajt-a unutrašnje radne memorije: • 128 Bajt-a osigurano za 41 registar opće namijene • Akumulator i 32 registra posebne namijene • Aritmetički i pokazivački registri • Registri za prijenos podataka izmeđi CPU i periferija. Mikrokontroleri - Primjer:Siemens SAB 80535

41. Predavanje 9 - EAP • Unutrašnja radna (RAM) i programska (ROM) memorija mogu se proširiti do 64KB dodacima izvana. • Hoće li se izvršavati kod iz radne ili programske memorije ovisi o stanju na izvodu EA (External memory Access). • Pristup vanjskoj memoriji upravlja se preko izvoda PSEN (Program Store ENable). • Izvodi: • normalno napajanje • pričuvno napajanje • referentni napon • reset mikrokontrolera • ... Mikrokontroleri - Primjer:Siemens SAB 80535

42. Predavanje 9 - EAP • Razrađena mogućnost prekida (Interrupt) programa s ukupno 12 mogućih izvora prekida uz moguću raspodjelu na 4 prioritetna nivoa. • ’Watchdog' koji se može pomoću programa aktivirati ali ne i isključiti. • U/I portovi (P0-P5) su 8 bit-ni i dvosmjerni • A/D pretvornik - 8 bit-ni. • Radi po načelu sukscesivne aproksimacije. • Vrijeme uzorkovanja je 5 mikrosekundi, a vrijeme pretvorbe 20 mikrosekundi. Mikrokontroleri - Primjer:Siemens SAB 80535

43. Predavanje 9 - EAP • S&H sklop za pamćenje vrijednosti uzorka analognog signala. • Multiplekser vodi brigu o 8 mogućih analognih ulaza za korištenje. • Mikrokontroler sadrži tri 16 bit-na brojača. Svaki od njih može se definirati kao klasičan brojač, dijelilo ili nešto drugo koristeći interni ili vanjski takt Mikrokontroleri - Primjer:Siemens SAB 80535

44. Predavanje 9 - EAP • Mikrokontroler koristi skup od 111 instrukcija od čega je 49 instrukcija duljine 1B, 45 duljine 2B i 17 duljine 3B. Instrukcije se mogu podijeliti na: • Instrukcije za prijenos • Aritmetičke instrukcije • Instrukcije za kontrolu prijenosa Mikrokontroleri - Primjer:Siemens SAB 80535

45. Predavanje 9 - EAP • Specijalno dizajnirani brojač. • Ako program upisan u memoriju mikrokontrolera ispravno radi on će povremeno u prikladnim vremenskim razmacima (do 100ms) vratiti kontrolni brojač na početnu vrijednost. • Ako pak brojač u svom radu odbroji do kraja, zadnjim brojem stavlja na znanje CPU mikrokontrolera da je došlo do nepravilnosti u radu programa jer nije bio vraćen na početnu vrijednost. • CPU pokreće programsku rutini za ponovnu inicijalizaciju mikrokontrolera ili se odvija neka druga predviđena zaštitna radnja Mikrokontroleri - WDT sustavnadzora

46. Predavanje 9 - EAP • Na taj način onemogućava se duži nepravilan rad mikrokontrolera bez obzira na razloge uzroka nepravilnosti. • Ova metoda nadzora višestruko povećava sigurnost sustava kojeg mikrokontroler nadzire Mikrokontroleri - WDT sustavnadzora

47. Predavanje 9 - EAP • Robustnost: • Obično se u sklopu uređaja s mikrokontrolera nalazi i mala baterija kojoj vijek trajanja doseže i do 10 godina. • Zajedno sa sustavom WDT za nadzor ispravnog rada mikrokontrolera, proizlazi da će podaci u RAM- u uvijek biti očuvani te da za redovnim servisom gotovo da nema potrebe. • Naravno, baterija zamjenjuje i napajanje cjelokupnog sklopa u slučaju nestanka struje, slično kao što rade on-line UPS uređaji Mikrokontroleri

48. Predavanje 9 - EAP • Mikrokontroleri s EPROM memorijom pogodni su za razvoj uređaja jer omogućavaju reprogramiranje sadržaja EPROM-a. • Vrste uređaja za programiranje EPROM-a • samostalni uređaji s vlastitim procesorom i sučeljem za upis podataka u EPROM • uređaji koji se obično priključe na paralelni (CENTRONICS) port računala koje im tada služi kao sučelje. • U drugom slučaju su znatno jeftiniji ali je potrebna odgovarajuća programska potpora za upis programskog koda u EPROM Mikrokontroleri

49. Predavanje 9 - EAP • Programska potpora mora: • Osigurati potpun pristup EPROM-u putem izbornika • Automatski prepoznati grafičku karticu računala i frekvenciju sistemskog takta porta te je prilagoditi uređaju • Automatski prepoznati koja vrsta EPROM-a je umetnuta u uređaj za programiranje, tip i proizvođača • Omogućiti brisanje prethodnog sadržaja EPROM-a • Uspoređivanje sadržaja dvaju EPROM-a • Upisivanje programskog koda u EPROM • Očitavanje upisanog koda i testiranje Mikrokontroleri