Связь с внешними устройствами и оператором в универсальных УЧПУ осуществляется через интерфейс МП с помощью интерфейсного канала связи, где управление обменом осуществляют специальные микроконтроллеры, которые управляются микропроцессором. Современные системы автоматического управления на базе микроЭВМ и микроконтроллеров для обеспечения эффективной связи УЧПУ с технологическим оборудованием, оператором и ЭВМ высшего ранга требуют наличия современных микропериферийных устройств.

В состав стандартных микропериферийных устройств могут входить:

  • пульт оператора и пульт ручного управления для оперативного вмешательства. т. е. средства общения оператора с УЧПУ при управлении, наладке;
  • пульт инженера для организации ремонтных работ, диагностики и отыскания отказов;
  • программатор для автоматизации программирования;
  • накопители на магнитных лентах, дисках, которые являются внешними запоминающими устройствами и предназначены для хранения архивной, библиотечной и другой информации;
  • видеотерминалы с пультом оператора для оперативного управления, индикации обрабатываемой и вводимой информации, редактирования УП, массивов осуществления диалогового режима и выдачи информации на печатающие устройства;
  • фотосчитывающие устройства для загрузки массивов информации и УП с перфоленты;
  • программируемые логические контроллеры для управления электроавтоматическими устройствами объектов управления.

К периферийным устройствам можно также отнести измерительную систему объекта управления и датчики, измеряющие другие технологические параметры. Эти устройства включают в себя аналого-цифровые преобразователи, датчики для обеспечения измерения параметров, которые могут вызвать аварийную ситуацию (датчики защитных функций). К периферийным устройствам также относятся электроавтоматические устройства объекта управления, системы управления приводами, которые могут включать в себя цифровые аналоговые преобразователи (ЦАП).

Все периферийные устройства обмениваются информацией через интерфейсные шины и управляются от МП. Однако для разгрузки МП от решения многих задач управления, а также для совмещения управляющего воздействия с реальным масштабом времени по отработке команд большинство внешних устройств имеют свою периферийную систему управления в виде микроконтроллеров управления отдельными устройствами. Например, в УЧПУ имеются контроллеры управления быстродействующими внешними устройствами, цифрового ввода-вывода, ввода-вывода с перфолент, управления выводом из оперативной памяти, управления измерительной системой и т. д.

В качестве устройств связи с оператором применяют пульты ручного управления, пульты для ручной загрузки и просмотра управляющих программ, пульты программирования и т. д.

За последнее время для связи с оператором широкое распространение получили символьные дисплеи на электронно-лучевых трубках (ЭЛТ), матричные дисплеи на жидких кристаллах. Большинство дисплеев работают как видеомониторы, т. е. дисплеи, снабженные клавиатурой для работы в диалоговом режиме. Для связи с оператором и другим обслуживающим персоналом применяют также видеотерминалы, которые, кроме клавиатуры, могут включать в себя всевозможное перфоленточное и другое печатающее оборудование, а также оперативную память.

 периферийные устройства

Пульт оператора универсального УЧПУ (рис. 95) имеет следующие оперативные органы управления: клавиши для набора адресов команд (I): А—L; 19 — клавиша перевода каретки; 20 — клавиша набора новой строки; клавиши для набора содержимого команд или их модификаций (II): 0—9, «,»; клавиши редактирования управляющей программы (III): 1 — поиск кадра для обращения (сдвиг кадра на N + 1); 2 — сдвиг фразы; 3 — стирание информации; 4 — коррекция; клавиши назначения режимов работы (IV): 5 — поиск кадра М; 6 — ввод констант; 7 — автоматический режим; 8 — ручной режим; 9 — режим ввода; 10 — режим вывода; 11 — тест со световой индикацией; 12 — носитель информации со световой индикацией (чтение носителя информации с индикацией); клавиши специализированных команд (V): 13 — стирание памяти; 14 — ввод по образцу; 15 — исходное положение; 16 — фиксированное положение; 17 — пуск; 18 — стоп.

Большинство технологических объектов имеет измерительные системы и датчики, входные и выходные сигналы которых представлены в аналоговой форме. Поэтому в этих внешних устройствах необходимо преобразование информации из аналогового сигнала в цифровой код (пользователем является УЧПУ). Кроме того, большинство исполнительных органов объектов управления управляется сигналом аналоговой формы, т. е. требуется преобразование цифрового сигнала в аналоговый. Поэтому для интерфейса связи с объектом управления, который обеспечивает обмен информацией УЧПУ с объектом и объекта с УЧПУ, необходимы преобразователи информации типа ЦАП и АЦП.

периферийные устройства

Структурная схема цифроаналогового преобразователя показана на рис. 96, а. В таком преобразователе цифровой код X разрядностью n преобразуется в напряжение UX. Преобразуемый код X записывается во входной регистр ЦАП (РX). Разрядность nX зависит от точности преобразования (разрядность определяет значение дискреты). Выходы регистра РX через ключи (Kл) воздействуют на сетку резисторов (СR), питаемую от эталонного источника напряжения UЭ или тока (IЭ). В качестве ключей используют транзисторные ключи или ключи на МОП — транзисторных микросхемах. ДАП может быть одноканальным или многоканальным, следовательно, принцип передачи информации может быть селекторным или мультиплексным. Для обеспечения многоканальной передачи преобразованной информации с помощью одного преобразователя (селекторный метод организации каналов) применяют коммутатор (Ком). Коммутатор содержит несколько ключей (Кл) для выбора одного из направлений передачи преобразованного сигнала, который возбуждается сигналом дешифратора (Д). Дешифратор управляется регистром адреса передачи информации (РА), в который записывается адрес, т. е. номер выхода, куда подается информация двоичным числом. Выходные напряжения UX1 — UXK) фиксируются выходными фиксаторами Ф1—Фk, Фиксаторы, как правило, имеют аналоговое запоминающее устройство в виде конденсатора или другого интегрирующего элемента. Наличие фиксатора дает возможность временно сохранить сигнал при передаче информации.

Организация структуры устройства для обратного аналого-цифрового преобразователя зависит от требуемого быстродействия. Наибольшее быстродействие и максимальные аппаратные затраты характерны для преобразователей прямого преобразования (считыванием). В этом случае измеряемое напряжение схемным способом (не алгоритмически) сопоставляется с набором эталонных напряжений, соответствующих весам двоичных разрядов, и результаты сравнения записываются в регистр. Если сопоставление по старшему разряду приводит к единице, то из измеряемого напряжения вычитается вес старшего разряда и эта разность сопоставляется с эталонным напряжением. Вычитание при этом осуществляется аналоговыми устройствами.

Широкое распространение получили АЦП со структурной организацией, превращающие обратное преобразование в прямое и сравнивающие измеряемое напряжения UX с напряжением на выходе ЦАП. Структурная схема преобразователя дана на рис. 96, б. Блок цифрового управления (ЦУ) ЦАП и схема сравнения обеспечивают многоканальное, прямое и обратное преобразование с использованием только ЦАП. Такая структура допускает лишь одностороннее преобразование по одному каналу. Допустимость такой структуры определяется требуемой производительностью. Ключи К2, КЗ и фиксатор (Ф) расширяют возможности преобразователя, т. е. позволяют сравнивать опорное напряжение (UОП) с входным или задающим (UЗ). Режим работы АЦП предполагает подключение одного из напряжений U1 — UP через входной коммутатор Вх КОМ ко входу схемы сравнения (СхСр). Второй вход СхСр подключен через К1 к выходу ЦАП. Сигналы с выходов СхСр направляют процесс подбора кода в цифровом устройстве на уравновешивание Ui. Подобранный код поступает на вход Y.

Алгоритм подбора кода может быть различным. Одним из более производительных и распространенных является алгоритм поразрядного уравновешивания. Преобразование происходит за nX циклов. Менее производителен, но требует меньших аппаратных затрат алгоритм простого счета. В этом случае АЦП выполняют в виде простого счетчика. Преобразование происходит за NC циклов. С помощью реверсивного счетчика можно создать следящий АЦП (сигналы «>» или «<» с выходов схемы сравнения приводят к постоянному уменьшению или увеличению содержимого счетчика). Следящий преобразователь применяют лишь в одноканальных АЦП.

При низких требованиях к быстродействию ЦАП снижения аппаратных затрат можно достичь путем применения в схеме ЦАП время импульсного преобразователя код—напряжения. С помощью схемы генератора линейного напряжения (ГЛИН), которая управляется счетчиком, формируется выходное напряжение, пропорциональное числовому коду. В счетчик записывается преобразуемый код X, на вход счетчика подаются тактовые импульсы, которые производят очистку регистра счетчика от записанного числа. При состоянии «О» счетчик отключает схему генератора линейного напряжения на выходе (ГЛИН). Следовательно, на выходе схемы ГЛИН сформируется уровень напряжения (аналоговый сигнал), пропорциональный числовому коду X, засланному в регистр счетчика.

В универсальных УЧПУ индикация информации производится многими средствами и способами. В простейшей форме данные об УЧПУ и технологическом оборудовании индицируются в двоичной форме «включено—выключено», для чего применяются светодиоды и другие миниатюрные сигнальные лампы, а также сигнальные лампы с транспарантами. Вывод данных осуществляется также на индикаторы символьного типа, где изображение формируется на светящихся катодах газоразрядных ламп с помощью точечной матрицы (мозаики), или на сегментном поле, где символы формируются комбинацией свечения точек или сегментов. Изготовляют сегментные индикаторы различных типов:

  • накальные сегментные, где для каждого сегмента предусмотрена нить накала, включение которой вызывает свечение сегмента;
  • газоразрядные (или плазменные), принцип действия которых основан на свечении газовой смеси под действием электрического напряжения (основным компонентом смеси является неон с небольшими добавками аргона и криптона); такие индикаторы более экономичны;
  • индикаторы на сегментных светодиодах, в которых используется эффект видимого свечения при прямом смещении р—n перехода в полупроводниках, где применяется фосфид галлия; эти индикаторы получили широкое распространение ввиду малой потребляемой мощности, габаритов и высокой надежности; их изготовляют различных размеров, форм и цветов излучения;
  • сегментные, жидкокристаллические, принцип действия которых основан на изменении оптических свойств в некоторых жидкостях под действием электрического ноля.

Для работы сегментных индикаторов семи- или восьмибитный код отдельного символа преобразуется в управляющий код отдельными элементами матрицы или сегментов. Светодиодные, газоразрядные и жидкокристаллические индикаторы можно объединять в одну конструкцию и обеспечивать вывод на индикацию отдельной строки или страницы символов. Чтобы уменьшить число усилителей и формирователей, многосимвольный индикатор работает в режиме временного мультиплексирования.

Принципиальная схема трехсимвольного семисегментного светодиодного индикатора методом мультиплексирования показана на рис. 97, а. На аноды (А) индикатора подаются распределенные во времени импульсы, которые как бы включают индикатор Одноименные сегментные катоды (К) всех индикаторов объединены и подключены к семи формирователям-усилителям сигналов сегментов, комбинация сигналов которых определяет высвечиваемый символ. Если частота коммутации превышает 30 Гц, глаз человека не видит мерцания символов, хотя в каждом такте высвечивается определенный символ в зависимости от напряжения, поданного на один из анодов.

 периферийные устройства

Большими возможностями по выводу информации обладают газоразрядные индикаторные панели с матрицами 256×256 или 512×512 элементов, состоянием которых управляют сигналы индикации, действующие на двух ортогональных системах электродов. При совпадении напряжений по двум ортогональным направлениям суммарное напряжение соответствует ионизации отдельного сегмента матрицы, которая вызывает его свечение. Вводимые данные можно сохранять длительное время, подавая переменное напряжение или импульсы по ортогональным координатам. Индикаторы на газоразрядных панелях занимают малый объем, однако стоимость их относительно высока.

Широкое применение для отображения символьной информации нашли индикаторы символьного и графического типа с применением электронно-лучевой трубки (черно-белое или цветное изображение). Такие индикаторы называют дисплеями.

Для удобства общения УЧПУ и периферийных устройств с оператором дисплеи могут быть выполнены в виде видеомониторов или видеотерминалов. Дисплеи (символьные индикаторы) бывают с символьным или графическим отображением. Как правило, дисплеи имеют встроенный микропроцессорный контроллер для управления индикацией и обменом.

Символьный дисплей, выполненный в виде видеомонитора, может выполнять следующие функции: ввод и индикацию содержимого текстовых программ (тестовый файл), диалоговый режим с пользователем, редактирование текстов с клавиатурой и просмотр их. В символьном дисплее с помощью двух ортогональных управляющих воздействий, подаваемых в отклоняющую систему электронно-лучевой трубки, электронный луч перемещается на экране по регулярной траектории, состоящей из отдельных точек или линий растра. Когда луч достигает конца строки растра, он быстро возвращается к началу новой строки (обратный ход луча), во время обратного хода напряжение свечения луча отключается. Для образования на экране четких, не мерцающих изображений построение растра совершается с частотой 40—60 Гц.

Управление символьной информацией производится по цепи модулятора яркостью свечения луча в отдельных точках его пути. Точечное изображение символов формируется на матрице, имеющей 5×7, 7×9 или 10×12 элементов матрицы. Число символов на строке, занимающей семь или девять горизонтальных рядов, позволяет сформировать до 80 символов (в горизонтальном растре).

Управление символьным дисплеем осуществляет контроллер (рис. 97, б). Генератор синхронизации вырабатывает непрерывные импульсные сигналы, периоды которых соответствуют отдельным элементам изображения на отдельной строке растра. Они используются для управления сдвигом и подаются в счетчик элементов, коэффициент пересчета которого определяется числом столбцов в матрице изображения плюс число элементов, отводимых на промежутке между символами, т. е. числом столбцов (вертикальных) в отдельной строке, которые формируют изображение символов и пробелов. Выходной сигнал счетчика элементов подается в счетчик числа символьных позиций, кодом которого определяется номер символа, индицируемого в текущей строке текста, этим самым осуществляется переадресация запоминающего устройства пульта вывода (видео-ЗУПВ) на новый символ изображения.

Видео-ЗУПВ является в контроллере оперативной памятью для хранения информации соответственно вместимости экрана (960—2560 символов). В некоторых контроллерах видео-ЗУПВ организуется в основной памяти микроЭВМ как массив индикации, а считывание из массива осуществляется прямым доступом.

Сигнал переполнения счетчика символьных позиций HSYNC осуществляет управление переходом луча на новую строку (коэффициент переполнения счетчика увеличен на 0,2Т, где Т — время прохождения луча по горизонтальной строке, следовательно, время 1,2Т создает возможность лучу выйти на начало новой строки). Выход счетчика символьных позиций подключен ко входу счетчика строк растра, содержимое которого определяет номер строки вертикального экрана; код данного счетчика управляет входом ПЗУ знакогенератора, определяя текущий ряд матрицы символов (коэффициент переполнения счетчика строк растра учитывает число промежутков между строками).

Таким образом, ПЗУ знакогенератора, на входы которого подаются коды из регистра символов, ведет поадресную выдачу символов в сдвиговый регистр (считываемый пятибитный код, подаваемый из ПЗУ знакогенератора, с помощью сдвигового регистра сдвигается, преобразуясь в последовательную форму элементов символа). Биты, поступающие из ПЗУ знакогенератора в сдвиговый регистр, с помощью синхросигналов образуют видеосигнал символов, который управляет лучом. Выход счетчика строк растра подключен ко входу счетчика строк текста, содержимое которого используется как сигнал для переадресации видео-ЗУПВ по строкам. Коэффициент пересчета счетчика строк текста увеличен на 0,2Т, где Т — время прохождения луча по всем строкам вертикального растра (страница), что организует интервал времени обратного хода луча на новую страницу — сигнал VSWNC. Данный сигнал управляет лучом при переходе на новую страницу. Таким образом, адреса символов и строк в видео-ЗУПВ определяются кодами счетчика символьных позиций и счетчика строк текста, которые однозначно индицируют слово видео-ЗУПВ, считываемое в буферный регистр символа.

В некоторых ЭВМ необходимо выдавать данные в графическом виде (профиль детали или программирование, чертежи при автоматическом проектировании и т. д.). С этой целью применяют графические дисплеи, качество изображения и точность которых зависят от их разрешающей способности. В настоящее время применяют графические дисплеи с числом элементов матрицы 512×512 или 1024×1024. В графических дисплеях применяют три способа отображения информации:

  • мозаичное отображение с помощью графических элементов, высвечиваемых на экране;
  • векторное сканирование, т. е. изображение элементарных сканирующих векторов;
  • растровое сканирование (битовое отображение).

Первый способ аналогичен формированию символов элементами (используется в дисплеях с малой разрешающей способностью). В этом случае изображение набирается из отдельных отрезков мозаики, т. е. как бы разбивается на отдельные элементы. Вид и последовательность элементов отображения лежат в буферной памяти, и считываемые сигналы являются управляющим сигналом отрезков кода.

Во многих УЧПУ применяют всевозможные принтеры для вывода и документирования символьных данных (распечатка УП поясняющего текста, вывод эскизов, чертежей, технологических и наладочных документов и т. д.). В качестве знакопечатающих принтеров можно применять электрическую печатающую машину. Применяют также различные безударные принтеры (электроискровые, электрографические, магнитографические и т. д.).