Struktura, funkcjonalność i zastosowania systemów wbudowanych

Z tego powodu stosunkowo niedawno zaczęto mówić o specyficznym rodzaju zastosowań technik mikroprocesorowych, dziedzina zaś została określona jako systemy wbudowane. Pomimo intensywnego rozwoju, systemy te nie do końca są jeszcze zdefiniowane i skategoryzowane. Dlatego oprócz szeroko zakrojonych prac nad nowymi zastosowaniami, prowadzi się również badania teoretyczne, w celu jasnego określenia odrębności takich systemów od typowych komputerów i zestawów mikroprocesorowych.

W artykule przedstawiono charakterystykę systemów wbudowanych, opisano ich strukturę sprzętową, a także oprogramowanie uruchamiane na tego typu urządzeniach. Ze względu na obecny stan zaawansowania technicznego, skupiono się na mikrokontrolerach oraz sterownikach PLC. Na koniec przedstawiono zastosowanie takiego systemu w przemyśle samochodowym jako rozwiązania mającego zwiększyć bezpieczeństwo na drodze.

Charakterystyka systemu wbudowanego

Jednoznaczne zdefiniowanie systemu wbudowanego nie jest łatwe. Pomimo braku jednolitej, ścisłej definicji, w literaturze przyjmuje się taki system jako rozwiązanie wykorzystujące sprzęt komputerowy do analizy oraz sterowania obiektami (najczęściej o naturze analogowej). Urządzenie takie jest umieszczone w bezpośredniej bliskości kontrolowanego obiektu, uzyskując z niego informacje za pomocą modułów pomiarowych oraz wykonując algorytm sterujący zrealizowany w formie oprogramowania wykonywanego przez jednostkę obliczeniową [1]. Wynika stąd kilka istotnych konsekwencji oraz wymagań zarówno wobec sprzętu, jak i oprogramowania.

Przede wszystkim, systemy wbudowane są stosowane jako element wykorzystywany w połączeniu z innym systemem, z którym użytkownik ma bezpośrednio styczność lub który odpowiada za proces, lub zjawisko. Do tego typu obiektów należą urządzenia mechaniczne (np. ramię robota), procesy technologiczne w fabryce, pojazdy (samochody, samoloty) itp. Istotną cechą systemu wbudowanego jest jego autonomiczna praca. Po zaprojektowaniu oraz zainstalowaniu w miejscu pracy powinien on działać nieprzerwanie bez ingerencji operatora (wyjątkiem jest sytuacja, w której muszą zostać wykonane modyfikacje, zarówno w sprzęcie, jak i oprogramowaniu). Tym samym komputer sterujący obiektem analogowym musi posiadać wszystkie interfejsy konieczne do komunikacji ze środowiskiem zewnętrznym. Dotyczy to zarówno portów wejściowych (służących do uzyskiwania danych pomiarowych), jak i wyjściowych (wykorzystywanych do generowania sygnałów sterujących).

Możliwości komunikacji systemu ze światem zewnętrznym nie ograniczają się tylko do komunikacji z badanym obiektem, obejmują również transmisję danych do innych komputerów. Pod tym względem intensywnie wykorzystywana jest sieć komputerowa standardu IEEE 802.3 (Ethernet), obecne są jednak również bardziej tradycyjne rozwiązania (np. port szeregowy RS-232 służący do komunikacji z innym komputerem, w celu aktualizacji oprogramowania uruchamianego na mikroprocesorze). Należy zauważyć, że mikroprocesor jest systemem cyfrowym, podczas gdy informacje pobierane ze środowiska oraz sygnały wysyłane do niego mają naturę analogową (obejmując temperaturę, pomiar prędkości, przyspieszenia, położenia). Stąd konieczne jest wyposażenie systemu wbudowanego w odpowiednie przetworniki cyfrowo-analogowe oraz analogowo-cyfrowe. Wewnątrz komputera musi bowiem dojść do wygenerowania sygnału cyfrowego, który potem zostanie przekonwertowany na odpowiadającą mu wielkość fizyczną, charakterystyczną dla monitorowanego obiektu (np. prędkość kątową serwomechanizmu umożliwiającego przemieszczanie elementów na taśmie produkcyjnej). Schemat blokowy systemu wbudowanego przedstawia fotografia 1.

Jak widać, system wbudowany zawiera trzy podstawowe elementy. Elementy pomiarowe (czujniki – ang. sensors) odpowiedzialne są za pozyskiwanie danych z obiektu na temat jego aktualnego stanu. Blok akwizycji sygnałów współpracuje z czujnikami pomiarowymi odpowiedzialnymi za konwersję mierzonej wielkości na analogowy sygnał elektryczny lub cyfrowy, który następnie jest przetwarzany w systemie mikroprocesorowym [2]. Jest to zatem przetwarzanie typu analogowo-cyfrowego, choć możliwe jest również traktowanie sygnałów wejściowych jako przyjmujących tylko dwie wartości (a zatem mających charakter cyfrowy). Elementy wykonawcze odpowiadają za generację cyfrowych sygnałów sterujących, które następnie muszą zostać zamienione na sygnały analogowe. Ten typ przetwarzania ma charakter cyfrowo-analogowy. Z kolei reguły sterowania są reprezentowane przez program komputerowy, który w reakcji na określoną konfigurację sygnałów wejściowych powinien powodować generowanie sygnałów sterujących. Ponieważ całe działanie odbywa się wewnątrz systemu komputerowego, ma ono charakter cyfra – cyfra.

Systemy wbudowane są obecnie wykorzystywane w układach automatyki, współpracują zatem ze środowiskiem zewnętrznym za pomocą czujników, oddziaływują zaś na nie za pomocą układów pozwalających zmienić stan lub zachowanie monitorowanego obiektu [3]. Do takich elementów zaliczają się urządzenia wykonawcze (ang. actuator), które służą do mechanicznej zmiany pozycji lub prędkości sterowanego systemu. Czujniki z kolei są przystosowane do przetworzenia wielkości mierzonej (bez względu na jej charakter fizyczny) na proporcjonalny sygnał elektryczny. Dodatkowo, czujniki inteligentne zapewniają przetworzenie wielkości mierzonej na sygnał cyfrowy (po uprzedniej linearyzacji, filtracji itp.), który może być przesłany siecią komputerową do układu mikroprocesora. Wynika stąd konieczność integracji tradycyjnego czujnika z układem elektronicznym, zapewniającym nie tylko konwersję sygnału analogowego na cyfrowy, ale również jego wstępne przetwarzanie np. w celu maksymalizacji współczynnika sygnał – szum (ang. SNR – Signalto-Noise Ratio).

Podstawowe cechy komputerów pełniących funkcje systemów wbudowanych to niewielkie rozmiary, ograniczona moc obliczeniowa oraz stosunkowo niewielki pobór energii zasilającej. Bardzo częstym rozwiązaniem stosowanym np. w elektronice użytkowej (odtwarzacze DVD czy Bluray, wzmacniacze audio) są komputery jednopłytkowe, w których wszystkie podzespoły znajdują się na pojedynczej płytce drukowanej, włączając w to procesor, pamięć oraz interfejsy komunikacyjne. Komputer ma małe rozmiary fizyczne, ponieważ musi się zmieścić wewnątrz obudowy sprzętu, którego większą część zajmują układy odpowiedzialne za np. odtwarzanie płyty. Z tym wiąże się druga cecha, czyli ograniczona moc obliczeniowa. Ponieważ komputer ma być mały, nie może być wyposażony w elementy wydzielające dużą ilość ciepła (co eliminuje większość współczesnych procesorów).

Z tego powodu systemy wbudowane mają konfiguracje, które w sektorze komputerów komercyjnych od dawna nie są w użyciu ze względu na zbyt małą prędkość i możliwości (np. lista rozkazów). Należy zauważyć, że specyfika ich zastosowań wymaga na ogół uruchamiania tylko jednego programu z minimalnym udziałem systemu operacyjnego lub przy jego całkowitym braku. Z tego powodu możliwe jest tutaj stosowanie procesorów o niskiej częstotliwości taktowania oraz niewielkiej pojemności pamięci, które jednak wystarczą do wykonywania podstawowego zadania. Wolniejsze procesory wydzielają mniej ciepła, można je zatem umieszczać w miejscach, gdzie klasyczny komputer nie może pracować. Dodatkowo systemy wbudowane mogą być wyposażone w procesory specjalizowane, które przeznaczono do wykonywania określonych zadań. Przykładem takiego układu jest procesor sygnałowy (ang. Digital Signal Processor), którego struktura umożliwia sprawne wykonywanie operacji związanych z cyfrowym przetwarzaniem sygnałów (np. realizacji szybkiej transforamty Fouriera).

Wymagania odnośnie ograniczonych możliwości obliczeniowych związane są również z energooszczędnością. Ponieważ system wbudowany może być wykorzystywany w obiekcie, który nie ma stałego dostępu do zasilania, istotne staje się utrzymanie go w stanie aktywnym przez jak najdłuższy czas. Zaletą jest wówczas nie tylko mały pobór mocy, ale również możliwość przejścia systemu komputerowego w stan uśpienia (gdy nie wykonuje algorytmu pomiarowo-sterującego) [1]. Problem zasilania jest istotny w lokalizacjach trudno dostępnych dla operatorów, w których nie ma również dostępu do zasilania sieciowego. Problem ten jest obecnie intensywnie rozpatrywany w odniesieniu do czujników bezprzewodowych, jednak w przypadku systemów wbudowanych jest również istotny.

Ponadto sprzęt stosowany w systemach wbudowanych powinien charakteryzować się podwyższoną wytrzymałością i odpornością na czynniki środowiskowe (podobnie jak ma to miejsce w przypadku komputerów przemysłowych). Dotyczy to w szczególności zakresu temperatur pracy, napięć zasilających, odporności na uszkodzenia mechaniczne, zapylenie itp. Szczegółowe wymagania określone są w normach, zarówno przemysłowych, jak i wojskowych.

Rodzaje sprzętu wykorzystywanego w systemach wbudowanych

Pomimo znacznej różnorodności sprzętu wykorzystywanego do monitorowania i sterowania obiektami zalicza się je zwykle do jednej z dwóch grup. Pierwsza to mikrokontrolery, druga zaś – programowalne sterowniki logiczne (ang. programmable logic controllers). Ich funkcje oraz przeznaczenie są podobne, różnice występują zaś w budowie wewnętrznej, sposobie programowania oraz trybie pracy. Poniżej przedstawione zostaną najistotniejsze cechy obu rozwiązań.

Mikrokontrolery

Mikrokontrolery to komputery jednoukładowe umieszczane wewnątrz innego urządzenia, którym mają sterować. Typowy mikrokontroler charakteryzuje się strukturą zgodną z maszyną von Neumanna, zaproponowaną na początku rozwoju technik komputerowych dla komputera uniwersalnego. Występują tutaj dwie istotne różnice w porównaniu z komputerem osobistym.

Pierwsza to rodzaj zastosowanego procesora. O ile na rynku komercyjnym dominują rozwiązania zgodne z architekturą x86 zaproponowaną przez firmę Intel, o tyle mikrokontrolery wyposażane są w procesory specjalizowane, takie jak 8085 lub 8051 (firmy Intel) czy 6801 (firmy Motorola) [3]. Ich konstrukcja sprawia, że bardzo dobrze nadają się do wykonywania jednego programu sterującego. Co ciekawe, o ile procesory komputerów biurkowych starzeją się bardzo szybko i co roku są zastępowane przez swoich nowocześniejszych następców, o tyle postęp w systemach wbudowanych jest znacznie wolniejszy.

Przykładowo, procesory opracowane na początku lat osiemdziesiątych nadal są wykorzystywane w wielu zastosowaniach. Jest tak dlatego, że wymagania odnośnie sprzętu komputerowego w wielu zastosowaniach (np. sterowanie windą czy oświetleniem) są identyczne jak dwadzieścia lat temu, dlatego nie wymagają szybszych oraz lepiej wyposażonych jednostek obliczeniowych. Druga cecha charakterystyczna to rozdzielenie pamięci na dwa moduły: przeznaczony na wykonywany program oraz na dane, z którym on współpracuje. Jest to tzw. architektura Harvard, stosowana powszechnie w systemach wbudowanych. Główną zaletą takiego rozwiązania jest większa efektywność przetwarzania programu (możliwość jednoczesnego dostępu do instrukcji maszynowej oraz jej argumentów). Jeśli dodać do tego znaczną na ogół liczbę linii sygnałowych służących do komunikacji ze światem zewnętrznym, otrzymujemy sprzęt komputerowy przystosowany do pracy z sygnałami pomiarowymi oraz generowania sygnałów sterujących. Ogólna struktura mikrokontrolera została przedstawiona na fotografii 2.

Procesor mikrokontrolera jest wyposażony w jednostkę arytmetyczno-logiczną (ang. Arithmetical-Logical Unit – ALU), przeznaczoną do wykonywania operacji matematycznych na liczbach całkowitych oraz zestaw rejestrów (ang. register file). W większości tradycyjnych układów, do których zalicza się np. 8051, nie występuje jednostka zmiennoprzecinkowa (ang. Floating Point Unit – FPU). Jest to istotne utrudnienie dla programisty, który musi zwykle stosować skomplikowany algorytm pozwalający wykonać obliczenia zmiennoprzecinkowej na rejestrach całkowitoliczbowych. Rejestry są niewielkimi układami pamięci zdolnymi do przechowywania pojedynczych liczb. Najważniejszym rejestrem jest akumulator (oznaczany zwykle literą A), który domyślnie przechowuje argumenty oraz wyniki w przypadku wielu operacji.

O możliwościach procesora decyduje zaimplementowana lista rozkazów maszynowych (czyli operacji, które procesor może wykonać). W porównaniu z klasycznym komputerem lista ta jest zwykle uboga, obejmując przede wszystkim operacje arytmetyczne, logiczne oraz wejścia – wyjścia (komunikacja ze światem zewnętrznym). Również częstotliwość taktowania jednostki wykonawczej jest znacząco niższa niż w przypadku procesorów ogólnego przeznaczenia. O ile obecnie standardem są parametry rzędu 2–3 GHz, procesory mikrokontrolerów są taktowane zegarem rzędu 4–80 MHz (np. Intel 8051, ARM czy NXP) do ok. 200 MHz (procesory sygnałowe) [4]. Ważną cechą takich procesorów jest możliwość obniżania częstotliwości pracy w przypadku, gdy konieczne jest ograniczenie pobieranej mocy.

Podobne zależności występują w przypadku pamięci. Mikrokontrolery korzystają ze wszystkich rodzajów pamięci półprzewodnikowych wykorzystywanych obecnie w technikach komputerowych. Są one kategoryzowane jako moduły wewnętrzne i zewnętrzne. Do pierwszej grupy należy pamięć operacyjna (RAM) dla programu i danych. Ze względu na specyfikę zastosowań, ma ona znacznie mniejszą pojemność, niż w komputerach ogólnego przeznaczenia. Jej rozmiar nie przekracza zwykle kilkuset kilobajtów. Ponadto jako pamięć wewnętrzną traktuje się moduły tylko–do–odczytu (ang. Read-Only Memory) lub głównie–do–odczytu (ang. Read-Mostly-Memory). Do tej ostatniej grupy zaliczane są pamięci typu EPROM oraz EEPROM (z odmianą flash-ROM). Oprócz pamięci wewnętrznej możliwe jest również dołączanie modułów zewnętrznych, które mogą być przydatne, jeśli pamięć wbudowana w komputer jest niewystarczająca.

Mikrokontrolery mogą zawierać również bardziej zaawansowane rozwiązania pochodzące od klasycznych procesorów, takie jak zastosowanie pamięci podręcznej, architektur superskalarnych czy potokowych. Pozwalają one na znacznie szybsze przetwarzanie programu (dzięki ładowaniu wielu instrukcji jednocześnie do procesora, choć każda z nich jest na innym etapie wykonania) i są stosowane w bardziej wymagających zastosowaniach, gdzie oczekuje się efektywnego przetwarzania w czasie rzeczywistym (np. w układach dekodowania i transmisji strumieni audio i wideo). Nie bez znaczenia jest również długość liczb, na których dokonywane są obliczenia. Obecnie na rynku dostępne są komputery 8-, 16- i 32-bitowe [3].

Programowalne sterowniki logiczne

Sterowniki PLC są również komputerami niewielkich rozmiarów wyposażonymi w procesor o niskiej częstotliwości taktowania oraz zestaw portów wejścia – wyjścia do komunikacji ze światem zewnętrznym. Sterowniki logiczne mają szereg cech wspólnych z mikrokontrolerami, m.in. spełnianie podwyższonych norm odnośnie niezawodności i pracy w trudnych warunkach. Komputer taki ma jednak pewne dodatkowe cechy, które predestynują go do pracy w warunkach przemysłowych w układach automatycznego sterowania obrabiarkami czy całych procesów technologicznych. Przede wszystkim sterownik PLC jest autonomicznym komputerem modułowym wyposażonym we własną obudowę kasetową, nazywaną chassis [5]. Zawiera ona zwykle cały komputer oraz opcjonalnie montowane moduły wejścia – wyjścia. Te ostatnie mogą występować w znacznej liczbie (rzędu kilkudziesięciu lub nawet kilkuset linii sygnałowych), przekraczającej zwykle wyposażenie typowego mikrokontrolera.

Co więcej, standardowa konfiguracja umożliwia łączenie wielu sterowników w sieć za pomocą interfejsów typu Ethernet. Procesor stosowany w sterownikach PLC jest zwykle bardziej zaawansowany od mikrokontrolera i charakteryzuje się szybkością rzędu 20–50 MHz, choć w bardziej zaawansowanych rozwiązaniach można spotkać procesory pracujące z prędkością 500 MHz (np. AMD LX800). Jest on również wyposażony w jednostkę zmiennoprzecinkową oraz liczbę rejestrów pozwalającą na wykonywanie bardziej złożonych programów niż w przypadku mikrokontrolera (co obejmuje również obsługę systemu operacyjnego czasu rzeczywistego). Ponadto standardowo może być zainstalowana większa liczba procesorów. Pamięć RAM występuje w wielkościach rzędu 1 KB – 2 MB. Oprócz tego dostępne są pamięci ROM, EPROM oraz EEPROM. Typowy schemat sterownika PLC przedstawia fotografia 3.

Możliwości komunikacyjne sterowników PLC są, podobnie jak ma to miejsce w przypadku mikrokontrolerów, intensywnie rozszerzane. Oprócz tradycyjnych metod współpracy z innymi urządzeniami za pomocą sieci komputerowej, interfejsów szeregowych czy równoległych, wprowadzane są obecnie do systemów wbudowanych moduły do komunikacji za pomocą sieci telefonii komórkowej, umożliwiające np. wysyłanie wiadomości SMS czy poczty elektronicznej. Dzięki temu oprócz autonomicznego wykonywania programu pomiarowo-sterującego system wbudowany może poinformować operatora o konieczności interwencji. Tego typu możliwości posiadają układy montowane w pojazdach, których zadaniem jest informowanie o kolizji drogowej lub lotniczej.

Stosunkowo nowym trendem jest projektowanie komputerów przemysłowych będących połączeniem tradycyjnego sterownika PLC oraz komputera klasy PC. Przykładem takiego rozwiązania jest moduł CompactRIO firmy National Instruments [6], który jest połączeniem zaawansowanego komputera do systemu wbudowanego (wyposażonego np. w procesor taktowany zegarem 200 MHz oraz 64 MB pamięci RAM) oraz modułu wejścia – wyjścia sterowanego za pomocą matrycy programowalnych bramek logicznych FPGA. Moduł zilustrowano na fotografii 4., zaś jego schemat funkcjonalny na fotografii 5. Tym samym jest to urządzenie, które wykonuje programy użytkownika na procesorze pod kontrolą systemu czasu rzeczywistego (takiego jak Microsoft Windows CE). Matryca FPGA odpowiada zaś za komunikację z modułami wejścia – wyjścia montowanymi w kasecie będącej częścią systemu.

Oprogramowanie systemów wbudowanych

Bez względu na rodzaj zastosowanego sprzętu, odznacza się on kilkoma cechami charakterystycznymi dla zastosowań pomiarowo-sterujących. Przede wszystkim oprogramowanie realizujące algorytm użytkownika działa bezpośrednio na sprzęcie albo bardzo blisko niego. W przypadku mikrokontrolerów na ogół nie ma systemu operacyjnego, który zarządzałby komputerem, istnieją zaś wyłącznie gotowe procedury komunikacji z poszczególnymi modułami sprzętowymi. Przechowywane są one w kości pamięci typu ROM i mogą być wywoływane przez oprogramowanie sterujące. Ponieważ sterowniki PLC mają zwykle bardziej złożoną strukturę, konieczny jest w nich zwykle system operacyjny czasu rzeczywistego, który pośredniczy pomiędzy programem użytkownika a sprzętem. W obu przypadkach głównym celem jest zapewnienie pracy autonomicznej systemu poprzez udostępnianie niskopoziomowych funkcji poszczególnych modułów.

Istotnym impulsem rozwoju możliwości oprogramowania systemów wbudowanych było wprowadzenie do ich obsługi różnych odmian oprogramowania SCADA (ang. Supervisory Control and Data Acquisition). Tego typu systemy służą do sterowania procesami, ich wizualizacji oraz analizy. Najczęściej wykorzystują one interfejs graficzny, który w łatwy sposób umożliwia śledzenie najważniejszych etapów procesu oraz wykrywanie problemów. Istnieje obecnie duża liczba programów tego typu, sprzedawanych przez producentów automatyki przemysłowej (takich jak Siemens, ABB, czy Rockwell Automation). Umożliwiają one również programowywanie systemów wbudowanych. Coraz popularniejsze środowisko LabVIEW firmy National Instruments jest również przedstawicielem tego typu oprogramowania.

System wbudowany wykonuje w pętli głównej program, który polega na trzech podstawowych operacjach [7]:

• inicjalizowanie wykonywania pomiarów wielkości fizycznych badanego obiektu,
• przetwarzanie sygnałów i sprawdzanie, czy ich wartości nie wymagają reakcji systemu w postaci generacji sygnałów sterujących,
• generowanie sygnałów sterujących i wpływanie przez to na stan obiektu.

W przypadku mikrokontrolera program jest sterowany przerwaniami (ang. interrupt-driven), co oznacza, że algorytm przetwarzania danych pomiarowych i generacji sygnałów testowych jest ładowany do pamięci oraz uruchamiany w odpowiedzi na zajście określonego zdarzenia w środowisku zewnętrznym. Wówczas zostaje podniesione przerwanie. Jest to metoda na poinformowanie procesora o konieczności obsługi jednego z interfejsów komunikacyjnych, np. związanych z czujnikami pomiarowymi. Program użytkownika działający w nieskończonej pętli jest przerywany, uruchamiana jest natomiast procedura obsługi modułu wejścia – wyjścia. Tym samym system wbudowany po uruchomieniu czeka na działania ze strony środowiska zewnętrznego, zaś w reakcji na określone wydarzenia wykonuje algorytm.

Programowanie obu typów systemów odbywa się na zasadzie kompilacji skrośnej (ang. cross-compilation). Oznacza to, że program jest tworzony na klasycznym komputerze (np. typu PC) za pomocą specjalizowanego środowiska projektowego, przystosowanego do tworzenia programów na określone procesory. Do takich należą np. 80C51 czy 8080. Po stworzeniu programu jest on przenoszony do pamięci mikrokontrolera bądź sterownika PLC i tam uruchamiany. Należy zaznaczyć, że komputer służący do projektowania programu nie jest potrzebny podczas pracy systemu, musi natomiast zostać wykorzystany w fazie programowania. Łączność pomiędzy nim a systemem wbudowanym odbywa się na ogół poprzez port szeregowy, który, choć powolny, wystarcza w zupełności do przeniesienia programu. Zestawienie obu urządzeń określa się zwykle jako system uruchomieniowy. Schemat kompilacji skrośnej pokazano na fotografii 6.

Mikrokontrolery oprogramowywane są za pomocą języków programowania stosowanych w klasycznych komputerach ogólnego przeznaczenia. Należy podkreślić, że o ile dla komputerów komercyjnych produkuje się coraz bardziej zaawansowane języki wysokiego poziomu, pozwalające tworzyć program na wysokim poziomie abstrakcji, o tyle programowanie mikrokontrolerów wymaga języków niskiego poziomu, pozwalających na bezpośredni kontakt ze sprzętem. Z tego powodu obecnie najpopularniejsze są języki, których czas świetności na komputerach PC dawno minął, czyli asembler i C. Pozwalają one na pisanie programów o niewielkich rozmiarach i wymaganej funkcjonalności, z uwzględnieniem specyfiki sprzętu, na którym są uruchamiane. Ponieważ głównym zadaniem mikrokontrolera jest komunikacja ze światem zewnętrznym (monitorowanym obiektem), program stworzony w jednym z wymienionych języków zawiera głównie procedury obsługi przerwań oraz komunikacji z portami zewnętrznymi (połączonymi z czujnikami i urządzeniami wykonawczymi).

Oprogramowanie sterowników PLC jest tworzone za pomocą bardziej abstrakcyjnych metod. Ich cechą wspólną jest skupienie się na aspektach sterowania logicznego, abstrahując od budowy fizycznej sterownika. W normie IEC 61131 określonych jest pięć standardów języków programowania, uznawanych za dopuszczalne w programowaniu całych rodzin sterowników [8]. Są to sekwencyjne schematy funkcyjne (ang. Sequential Function Chart), bloki funkcyjne (ang. Function Block Diagram), schematy drabinkowe (ang. Ladder Diagram), lista instrukcji (ang. Instruction List) oraz tekst strukturalny (ang. Structured Text).

Wszystkie metodologie charakteryzują się wysokim poziomem abstracji, pozwalają programiście na skupienie się na funkcjach oprogramowania, nie zaś na jego współpracy ze sprzętem. Trzy pierwsze pozwalają na programowanie graficzne, tzn. umieszczanie elementów rysunkowych, takich jak ikony, w polu diagramu oraz łączenie ich za pomocą linii sygnałowych. Przykładowy „kod” języka bloków funkcyjnych pokazano na fotografii 7. Dwa ostatnie języki mają postać tekstową i bardziej przypominają typowe języki programowania, jak to pokazano na fotografii 8.

Przykład zastosowania systemu wbudowanego w przemyśle motoryzacyjnym

Coraz intensywniejsze użytkowanie przez ludzi pojazdów samochodowych i motocykli sprawia, że większość mieszkańców krajów rozwiniętych zmuszona jest do korzystania z tego rodzaju transportu. Duża liczba użytkowników dróg zwiększa intensywność wypadków, czemu agencje narodowe odpowiedzialne za bezpieczeństwo starają się przeciwdziałać. Zmiany dotyczą nie tylko bardziej restrykcyjnych przepisów ograniczających dozwoloną prędkość, ale również rozwiązań technicznych w pojazdach, czy też dodatkowych wymagań projektowych dla dróg. Aby jednak świadomie podejmować decyzje projektowe, konieczne jest uzyskiwanie wiedzy na temat przebiegu wypadków, ich przyczyn oraz warunków, jakie panowały na drodze i w pojeździe w momencie wystąpienia kolizji. Z tego względu najwięksi producenci motoryzacyjni, tacy jak General Motors, czy Volvo, rozpoczęli montowanie w swoich samochodach specjalnych systemów rejestracji danych, nazywanych EDR (ang. Event Data Recorder). Strukturę przykładowego systemu obecnego w samochodach marki Chevrolet pokazano na fotografii 9.

Schemat przedstawia system o nazwie Sensing&Diagnostic Module (SDM), który podłączony jest do magistrali sygnałowej pojazdu, monitorując stan najistotniejszych parametrów: prędkości obrotowej silnika, prędkości samochodu, położenia przepustnicy czy informacji o naciśnięciu pedału hamulca. Dane przed doprowadzeniem do mikrokontrolera są odszumiane za pomocą filtru dolnopasmowego o częstotliwości odcięcia wynoszącej 400 Hz. Mikroprocesor wykonuje algorytm zawarty w pamięci ROM o typowej wielkości 32 KB, zaś dane pomiarowe przechowuje w pamieci RAM o wielkości 512 B, okresowo przepisując je do pamięci EEPROM, której pojemność wynosi również 512 B. SDM oblicza różnicę prędkości poprzez całkowanie wartości pomiarów spowolnienia (ujemnego przyspieszenia) mierzonych w odstępach co 312 µs przez akcelerometr, pozostałe wymienione parametry są odczytywane z magistrali systemowej.

Przepisanie danych pomiarowych zbieranych przez ostatnie pięć sekund z pamięci RAM do EEPROM następuje w momencie odpalenia poduszek powietrznych (co oznacza, że doszło do zderzenia). Dane te mogą zostać następnie odczytane przez zewnętrzny komputer. Na tej podstawie uzyskiwane są modele wypadków, dzięki którym można wykryć usterki w pojazdach oraz poznać zachowania kierowców w trakcie kolizji. W połączeniu z informacjami na temat warunków pogodowych oraz profilu nawierzchni w miejscu, gdzie doszło do wypadku, uzyskuje się komplet informacji, dzięki którym można podjąć działania, w celu zwiększenia bezpieczeństwa ruchu.

Podsumowanie

Systemy wbudowane są obecne we wszystkich dziedzinach techniki. Pomimo że są praktycznie niezauważalne, mają ogromny wpływ nie tylko na procesy technologiczne czy przemysłowe, ale również na życie zwykłych ludzi. Nie ma już właściwie urządzeń, które nie byłyby wyposażone w elektroniczne układy pomiarowo-sterujące. Z tego względu istotne staje się zapewnienie ich niezawodności oraz efektywności. Z jednej strony zapewnia to sprzęt, charakteryzujący się wytrzymałością i stabilną pracą, z drugiej oprogramowanie. W tym drugim przypadku jakość pracy systemu zależy od umiejętności programisty oraz od dokładności przetestowania gotowego oprogramowania. Jak bardzo ważny jest ten ostatni czynnik, można się przekonać obserwując pracę źle zaprogramowanej windy, lub systemu sygnalizacji świetlnej na skrzyżowaniu. Z tego powodu istotne jest projektowanie niezawodnych systemów o dobrze znanych możliwościach i parametrach.

Literatura

1. R. Pełka, Mikrokontrolery – architektura, programowanie, zastosowania, WKiŁ, Warszawa 2001, s. 31, 61–62.
2. W. Winiecki, Organizacja i architektura komputerowego systemu pomiarowego, OWPW, Warszawa 1997, s. 27–37.
3. A. Urbański, Podstawy automatyki, Wydawnictwo Politechniki Poznańskiej, Poznań 2001, s. 26–27.
4. S. Smith, DSP. Cyfrowe przetwarzanie sygnałów, BTC, Warszawa 2007, s. 205–216.
5. J. Kwaśniewski, Sterowniki PLC w praktyce inżynierskiej, BTC, Legionowo 2008, s. 104-106.
6. „NI cRIO-9052 High-Speed PCI Interface for CompactRIO”, on-line: http://sine.ni.com/nips/cds/view/p/lang/en/nid/202431
7. J. Majewski, K. Kardach, Programowanie mikrokontrolerów z serii 8×51 w języku C, Oficyna Wydawnicza Politechniki Wrocławskiej, Wrocław 2002.
8. J. Kasprzyk, Programowanie sterowników przemysłowych, WNT, Warszawa 1998, s. 23–25.
9. A. Chidester, J. Hinch, T. C. Mercer, K.S. Schultz, Recording Automotive Crash Event Data, Evet Data Recorders. A Decade of Innovation, SAE International, 2008, s. 11–24.

Chcesz być na bieżąco? Zapisz się do naszego newslettera!