Понятие об интегральных схемах. Ускорению научно-технического прогресса способствует внедрение микроэлектроники во все отрасли народного хозяйства. Процесс усложнения технических решений сопровождается увеличением числа различных электронных устройств, что приводит к снижению надежности разрабатываемых систем. Повысить надежность можно уменьшением числа входящих в систему элементов и соединений между ними, т. е. использовать процесс интеграции, заключающийся в объединении в одном сложном микроэлементе ряда простейших приборов (транзисторов, диодов, резисторов, конденсаторов и др.). Такие микроэлектронные устройства назвали интегральными микросхемами (ИС).
Интегральные микросхемы имеют высокую надежность, небольшие габаритные размеры и массу, потребляют очень малую мощность (десятые и сотые доли ватта).
Сложность микросхем определяется уровнем интеграции. Вначале появились интегральные схемы с малым уровнем интеграции ИС (10-20 компонентов в кристалле), которые используются для создания простых логических элементов, затем со средним - СИС (100 и более компонентов).
Эти микросхемы работают в режиме триггеров, сумматоров и регистров.
Большие интегральные схемы - БИС (более 1000 компонентов) - используются в качестве запоминающих и арифметическо-логических устройств. Сверхбольшие схемы - СБИС (десятки тысяч компонентов) - включают микропроцессоры и микроЭВМ. При создании БИС используются МДП-структуры: М (металл), Д (диэлектрик), П (полупроводник), обеспечивающие более простое изготовление, большую надежность и увеличение степени интеграции. При изготовлении БИС очень сложно соединять между собой большое число элементов в одном кристалле или на одной подложке, поэтому в ряде случаев соединение производят по многоуровневой (иерархической) системе.
На первом (нижнем) уровне объединяются отдельные элементы в простейшие логические схемы и предварительно обрабатывается поступающая информация. На втором уровне соединяютсяэлементарные логические схемы в более сложные схемы регистров, счетчиков и др. Затем устройства объединяются в более сложные узлы и схемы. Многоуровневая система обеспечивает наименьшее число выводов (вход и выход сигналов и подвод питания).
Условное обозначение интегральных микросхем состоит из ряда букв и цифр. Например, операционный усилитель обозначается КН0УД5А, где К - интегральные схемы для широкого применения; 1, 5, 7- полупроводниковые ИС; 40- порядковый номер разработки; УД - функциональное назначение (усилитель дифференциальный и операционный); 5- номер разработки (может состоять из нескольких цифр); от А до Я - имеется разброс по одному или нескольким параметрам. Иногда этот индекс обозначает тип корпуса, но это должно оговариваться в технической документации, например П- пластмассовый корпус, а М - керамический.
Переход к интегральным схемам увеличил разнотипность конструктивного исполнения аппаратов и усложнил их наладку и обслуживание. Можно было бы упростить обслуживание такой аппаратуры, создав для многих отраслей народного хозяйства специализированные неремонтопригодные БИС. Однако стоимость разработки такой БИС большая, и, следовательно, применение их экономически невыгодно, тем более что схемы с «жесткой» логикой не позволяют изменять или расширять функции. Необходимость создания высокоэффективных цифровых устройств на интегральных схемах привела к разработке программируемых универсальных БИС, получивших название микропроцессоров (МП).
Микропроцессор - это центральная часть вычислительной системы, состоящая из нескольких БИС или одной сверхбольшой интегральной системы СБИС, которая может содержать в одном
Рис. 12.8. Системы автоматического управления: а - человеческая; б техническаякристалле (размером 5X5X0,2 мм) несколько десятков тысяч транзисторов и включающая в себя устройство управления и операционное арифметико-логическое устройство. Микропроцессор управляет вводом и выводом информации, обрабатывает ее, координирует действия различных частей устройства, вырабатывает и передает управляющие сигналы во внешние цепи (исполнительные устройства). Таким образом, микропроцессор является как бы мозгом автоматических устройств. Для лучшего понимания роли микропроцессора рассмотрим схему поведения человека при изменении внешней среды. Человек имеет пять видов ощущений, связанных со зрением, слухом, обонянием, вкусом и осязанием. Для формирования ощущений необходимо внешнее раздражение определенных органов -- «датчиков чувств», которыми являются глаза, уши, нос, язык и кожа. Внешнее раздражение через «датчики чувств» в виде определенных сигналов поступает в головной мозг, формирующий ощущение. В соответствии с ощущением человек определяет свое поведение (рис. 12.8, а). Например, человека кусает комар, благодаря осязанию он ощущает боль, затем принимает решение убить (или прогнать) комара.
Тогда мозг выдает необходимые командные сигналы рукам и ногам.
Примерно тоже происходит и в технической системе, состоящей из датчиков (измерителей, чувствительных элементов) и микроЭВМ (рис. 12.8, б). Датчики соответствуют органам чувств, а микропроцессор и память выполняют функции головного мозга. По командам процессора действуют механические руки или другие исполнительные устройства.
Следовательно, система, состоящая из микроЭВМ и датчиков, сходна по функциям отдельных элементов и по схеме поведения с человеком.
Микропроцессорная техника позволяет заменить схемы управления с «жесткой» логикой программируемыми устройствами, дающими возможность легко перестраивать программу работы различных машин и агрегатов.
Создание микропроцессоров знаменует новый этап в развитии систем автоматического управления.
Понятие о микроЭВМ. МикроЭВМ были разработаны в 1971 г. американской фирмой «Интел», в которых применен однокристальный центральный процессор типа 4004 и использован для обработки четырехразрядных слов и вместе с БИС постоянной и оперативной памяти входил в набор гибкой архитектуры калькулятора. Кристалл БИС микропроцессора содержал 2200 транзисторов и позволял выполнять до 45 видов инструкций. Появление микроЭВМ обусловлено большими достижениями в полупроводниковой технологии, и бурное их развитие неразрывно связано с прогрессом в современной технологии БИС.
Рис. 12.9. Структура микроЭВМ
Вводимая информация в микропроцессорные устройства должна быть представлена комбинациями двоичной цифр (единиц и нулей) - битов. Группа битов называется машинным словом, длина которого определяется разрядностью микропроцессора (обычно 4, 8, 16 или 32 двоичных разрядов), характеризующей его возможности и сферу применения.
Микропроцессоры, оперирующие с четырехразрядными словами, используют в измерительных приборах, микрокалькуляторах, игровых автоматах и др. Восьмиразрядные МП применяют в контрольно-измерительных приборах, контроллерах систем управления и др.
Шестнадцатиразрядные МП используются в системах сбора данных и диспетчерского управления, цифровых устройствах и др. В мини-ЭВМ применяют тридцатидвухразрядные МП.
МикроЭВМ (рис. 12.9) состоит из генератора синхронизирующих импульсов ГСИ, собственно микропроцессора МП, памяти и устройства ввода-вывода информации УВВ. Память служит для записи программ и необходимых данных. Она функционально делится на оперативную -- оперативно-запоминающее устройство ОЗУ и постоянную - постоянное запоминающее устройство ПЗУ. ОЗУ осуществляет запись и считывание, а ПЗУ - только считывание. Схемы ввода-вывода (порты) соединяют основную часть ЭВМ с различными внешними устройствами. Для соединения МП с устройствами памяти и вьида-вывода используются шины, по которым производится обмен информацией между всеми блоками ЭВМ. Адресная шина служит для передачи адреса, по которому МП обращается к одному из устройств системы. Шина данных обеспечивает передачу информации в обоих направлениях (от МП к другим устройствам и обратно). Третья шина передает сигналы управления (команды чтения из памяти, записи в память, чтение данных из устройств ввода и др.). Устройства ввода-вывода для присоединения к ЭВМ должны иметь схемы согласования, так называемый интерфейс, учитывающий особенности того или другого устройства ввода-вывода.
Комплекс микропроцессорной системы автоматического контроля управления и технической диагностики. Для улучшения тяговых и экономических показателей тепловозов разработан комплекс микропроцессорной системы автоматического контроля управления и технической диагностики (МСКУ) для магистральных и маневровых тепловозов с электрической передачей. Комплекс МСКУ построен по многоуровневой системе и состоит из программ, аппаратно и конструктивно совместимых систем (подсистем) по управлению тепловозом и режимом движения поезда, объединенного регулирования и защит дизеля, регулирования тяювой электрической передачи и встроенного диагностического устройства.
Каждая подсистема - функционально законченное устройство, обеспечивающее работу как в системе МСКУ, так и самостоятельно.
Комплексная система питается постоянным током вспомогательных цепей тепловоза, напряжением 110 и 75 В.
Структурная схема МСКУ показана на рис. 12.10. Устройство управления тепловозом (пульт управления) УТ: дисплей ДС; радиоканал Р/С, обеспечивающий связь с внешними источниками информации; путевой канал ПК, принимающий информацию от датчиков пути; 0/7 - оперативная память, в которой хранятся информация о машинисте, дата поездки, участок, масса поезда, предупреждения, расход топлива, профиль участка и оперативная диагностическая информация с УТП. Система высшего уровня УТП (центральная микроЭВМ) предназначена для управления тепловозом в соответствии с командами машиниста и режимом движения поезда (автоматическое ведение по заданной программе или по сигналам). Здесь же формируется оперативная информация для машиниста и обеспечивается асимметричное управление секциями тепловоза (линия межсекционной связи С).
Рис. 12.10. Структурная схема МСКУ
Периферийные микроЭВМ (1-6) управляют работой какого-либо узла или системы тепловоза. Они являются составной частью подсистем.
Периферийные микроЭВМ связаны с центральной микроЭВМ и между собой.
Подсистема регулирования и защиты дизеля РД осуществляет: изменение частоты вращения вала дизеля и его мощности; контроль температурного режима (температуры охлаждающей воды и масла на выходе из дизеля, газов перед турбиной компрессора), давления в масляной системе и температуры и давления окружающей среды;
защиту дизеля при возникновении аварийных ситуаций; формирование оперативной информации но команде системы высшего уровня.
Подсистема регулирования тяговой электрической передачи ТЭП производит регулирование возбуждения тягового генератора при режимах тяги и электрического торможения, управление возбуждением тяговых электродвигателей, защиту электродвигателей при боксовании колесных пар. Датчики, входящие в эту подсистему, измеряют напряжение и ток тягового генератора, ток и частоту вращения вала тягового электродвигателя, ток возбуждения электродвигателя в режиме электрического торможения.
Подсистема регулирования электрического оборудования РЭО обеспечивает регулирование вспомогательного генератора и генератора энергоснабжения, управление контактными аппаратами при пуске и остановке дизеля, в режимах тяги и электрического торможения, защиту электрического оборудования при порче изоляции и пробое вентилей выпрямительной установки. Подсистема регулирования вспомогательных агрегатов и оборудования РВО управляет тормозным компрессором, системой поддержания заданного температурного режима дизеля, током заряда аккумуляторной батареи и др. Подсистема обеспечения безопасности движения СБД контролирует тормозную магистраль поезда и состояние машиниста.
Подсистема встроенного диагностического устройства ВДУ позволяет получить достоверные данные о состоянии тех или других узлов или агрегатов тепловоза.
Системой МСК.У оборудован опытный тепловоз 2ТЭ116, на котором микропроцессорная система регулирует мощность тягового генератора, управляет работой системы автомашиниста и диагностики оборудования.
При эгом схема управления тепловоза оала значительно проще из-за отсутствия реле управления.
Улучшение тяговых и экономических показателей тепловозов достигается за счет: наиболее экономичного режима ведения поезда; соблюдения заданного графика движения и экономичного распределения мощности между секциями многосекционного тепловоза; оптимального регулирования дизель-генераторной установки; экономичного соотношения нагрузки и частоты вращения вала дизеля; соблюдения наиболее целесообразного топливного режима дизеля; уменьшения затрат на вспомогательные нагрузки за счет автоматического выбора расхода воздуха на охлаждение тяговых электрических машин; возможности реализации высоких коэффициентов тяги; диагностики оборудования, облегчающей поиск неисправностей и уменьшающей затраты на ремонт за счет замены плановых ремонтов ремонтами по потребности.
⇐ | Передача мощности переменного тока | | Рудая К. И., Логинова Е. Ю. Тепловозы. Электрическое оборудование и схемы. Устройство и ремонт | | Список литературы | ⇒