Автоматизированная система контроля и управления работой светофора

В настоящее время практически невозможно представить какую-то отрасль науки и производства, в которой бы не использовались микропроцессоры (МП).

Универсальность и гибкость МП как устройств с программным управлением наряду с высокой надежностью и дешевизной позволяют широко применять их в самых различных системах управления для замены аппаратной реализации функций управления, контроля, измерения и обработки данных.

Системы, создаваемые на микропроцессорах, позволяют реализовывать разнообразные по сложности выполняемых функций устройства управления – от простейших микроконтроллеров несложных приборов и механизмов до сложнейших автоматизированных систем управления в реальном времени.

Внедрение МП в контрольно-измерительную аппаратуру позволяет повысить точность измерений, надежность, расширить функциональные возможности приборов и обеспечивает выполнение следующих функций: калибровка, коррекция, контроль и управление измерительным комплексом, принятие решений и обработка данных, диагностика неисправностей, индикация, испытание и проверка приборов.

Автоматизированная система контроля и управления за работой светофора позволит следить за состоянием ламп светофора, что позволит вовремя обнаружить и исправить неполадку.

Разрабатываемый прибор управления, построенный с применением микропроцессорной техники, помимо основной задачи переключения сигналов, позволят реализовать следующие функции:

• •    Самостоятельно переключать сигналы;

• •    Сигнализировать и автоматически останавливать работу светофора при неисправных лампах;

• •    Выводить данные о негорящих лампах на пульт управления.

Основной задачей микропроцессорной системы является переключение сигналов, и контроль за работоспособностью ламп.

Рисунок 1 - Структурная схема прибора

Структурную схему данного прибора можно условно разбить на 4 блока:

• 1.    Центральный процессорный блок (ЦПБ) – является наиболее важным функциональным блоком, выполняющий функции управления работой всей системы. В состав ЦПБ входят следующие элементы:

• -    Генератор тактовых импульсов предназначен для управления ЦП и периферийными устройствами;

• -    Микропроцессор – является программируемой универсальной БИС. Она выполняет следующие функции в данной микропроцессорной системе: считывание информации, выполнение над ней логических операций, анализ полученного результата и запись его в память.

• -    Буфер шины адреса – предназначен для увеличения нагрузочной способности выводом микропроцессорных БИС. Кроме того, он обеспечивает отключение модулей в нужные моменты времени от общей шины.

• -    Буфер данных – служит для подключения к магистрали внешнего устройства. Буферные регистры способны хранить данные [3].

• 2.    Блок памяти - обеспечивает хранение информации, принимаемой или выдаваемой по командам микропроцессора. Включает в себя такие элементы:

• -    Оперативное запоминающие устройство - предназначено для записи и считывание данных, а также для их временного хранения.

• -    Постоянное запоминающее устройство - предназначено для хранения программы микропроцессора и других начальных установок, необходимых для работы микропроцессорной системы.

• -    Дешифратор адреса - выбор микросхем, с которой в данный момент времени будет работать микропроцессор.

• 3.    Блок выполнения системных функций.

• -    Таймер, обеспечивает запрос на прерывание с частотой 50 Гц, по которому производится обработка программы прерывания.

• -    Параллельный интерфейс - программируемое устройство ввода/вывода параллельной информации, применяется в качестве элемента ввода/вывода общего назначения, сопрягающего различные типы периферийных устройств с магистралью данных микропроцессорных систем.

• -    УСАПП - универсально - асинхронный приемопередатчик, предназначен для аппаратной реализации последовательного протокола обмена между микропроцессором или другим устройством, способны запрограммировать данную микросхему на требуемый режим работы, и каналами последовательной передачи дискретной информации.

• 4.    Блок ПУ - содержит пульт управления, с которого осуществляется управление устройством, а также его настройка[2].

Все узлы устройства связаны общей магистралью. Магистраль включает в себя шину данных, шину адреса и шину управления. Подключение устройств к системной шине выполняется не непосредственно, а через специальные интерфейсные модули и схемы сопряжения. Это необходимо для согласования по нагрузке и трансляции сигналов управления. Интерфейс в целом можно определить как среду взаимодействия основных компонентов системы – процессора, память, внешние устройства. В данной структурной схеме на контроллер возлагается основная нагрузка. Основной его задачей является точный отсчет времени, кроме этого контроллер обрабатывает сигналы с внешних устройств, работает с памятью, выводит данные на индикаторы. Пульт управления основное средство ввода информации пользователем. В данном случае он необходим для организации управления и контроля во время работы светофора. Для сопряжения с персональным компьютером воспользуемся последовательным интерфейсом RS-232С. Главным преимуществом данного интерфейса является возможность передачи данных между устройствами, удаленными на большие расстояния[1].

Назначение процессорного блока организовывать работу устройства. В его задачу входит инициализация микросхем, работа с памятью, выполнение арифметических операций, управляет вводом и выводом информации. Память состоит из оперативной и постоянной. В оперативной памяти находятся результаты выполнения вычислений процессора. В постоянной памяти хранятся программа инициализации (установка в начальное состояние аппаратуры ПК, программная настройка контроллера прерываний, адаптеров, таймера, программа управления вводом-выводом). Таймер предназначен для генерации времязадающих функций, программно-управляемых временных задержек с возможностью программного контроля их выполнения. Управление ввода-вывода обеспечивает вывод информации на персональный компьютер, а также обрабатывает сигналы ПК и лампочек.

Алгоритм работы микропроцессорной системы представляет собой последовательность операций или действий, по которой происходит обработка данных и команд центральным процессором, для получения необходимого результата функционирования системы. Алгоритм основных выполняемых действий сведен в цикл (основной цикл программы) который можно описать следующим образом:

• •    Инициализация БИС;

• •    Настройка текущего времени;

• •    Вывод информации на ПК;

• •    Опрос УСАПП.

Приведем блок-схему основного цикла программы.

Рисунок 2 - Алгоритм работы прибора

После инициализации устройств начинается цикл опроса УСАПП. В зависимости от заданных режимов выполняет действия определенные в прошивочной программе устройства. Определение не горящей лампы производиться с помощью программы прерывания. Прерывание заставляют микропроцессор временно прекратить выполнение текущей программы и перейти к выполнению программы обработки прерывания, которая считается более важной или срочной. Корректировка времени горения ламп осуществляется программным путем [1]. Блок – схема программы прерывания изображена на рис. 3.

Рисунок 3- Алгоритм программы прерывания

Вначале происходит программирование таймера на горение зеленого цвета. Если время горения не пришло, то таймер снова программируется и проверяет. Если же пришло время горения зеленого, то он загорается, и таймер начинает программироваться на горение желтого цвета. Если время не пришло, то таймер снова программируется и проверяет. Если же пришло время желтого то он загорается и таймер программируется на горение красного сигнала светофора, если время горения красного не настало таймер снова проверяет, если настало, то загорается красный, и действия повторяются [2].

Кроме того, в системе предусмотрен контроль перегорания ламп, что обеспечивается с помощью имитатора внешних воздействий. В случае, если из строя выходит лампа красного или зеленого света, светофор автоматически переходит в режим мигания. Если же перегорает и лампа желтого света, то светофор выключается и может быть включен только после, замены ламп.

Данная автоматизированная системы не требует для подключения никаких дополнительных устройств и имеет достаточно гибкое, легко настраиваемое под конкретные потребности программное обеспечение.

Также система обладает высокой гибкостью и возможностью перестройки программного алгоритма действия с минимальными аппаратными доработками.