Моделирование системы управления на базе микроконтроллера

Тип работы:
Реферат
Предмет:
Общие и комплексные проблемы технических и прикладных наук и отраслей народного хозяйства
Узнать стоимость новой

Детальная информация о работе

Выдержка из работы

УДК 681. 51
В. А. Егунов, А. Р. Джакияев МОДЕЛИРОВАНИЕ СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ НА БАЗЕ МИКРОКОНТРОЛЛЕРА
Волгоградский государственный технический университет
vegunov@mail. ru, ru-askar@mail. ru
Рассматривается вопрос применения теории сетей массового обслуживания к оценке эффективности системы управления, а также оценке производительности управляющего микроконтроллера.
Ключевые слова: микроконтроллер, система управления, оценка производительности, имитационное моделирование, дискретно-событийное моделирование.
V. A. Egunov, A. R. Dshakiyaev SIMULATION OF THE CONTROL SYSTEM BASED ON MICROCONTROLLER Volgogorad State Technical University
Discusses the application of the theory of Queuing networks to assess the effectiveness of the management system and to evaluate the performance of its control of the microcontroller.
Keywords: microcontroller, system management, performance evaluation, imitating modeling, discrete event simulation.
Развитие микроконтроллеров и широкое их применение в промышленном производстве, устройствах и системах управления самыми разнообразными объектами и процессами является в настоящее время одним из основных направлений научно-технического прогресса. Использование микроконтроллеров в системах управления обеспечивает достижение высоких показателей эффективности при относительно невысокой стоимости. Микроконтроллер в данном случае занимает центральную часть такой системы. К нему подсоединены датчики и исполнительные устройства [1]. Микроконтроллер считывает информацию от датчиков, обрабатывает ее и выдает команды исполнительным устройствам [2]. Для различных конфигураций систем объем передаваемой информации, а также время ее обработки будет сильно отличаться. При проектировании системы управления одной из основных задач является выбор управляюще-
го микроконтроллера. С одной стороны, он должен обладать достаточной вычислительной мощностью для того, чтобы обработать поток информации, поступающий от датчиков. С другой стороны, выбор неадекватно производительного и дорогого микроконтроллера приведет к удорожанию системы в целом. Поэтому важной представляется оценка требуемой производительности, необходимой для реализации задач, стоящих перед системой управления.
Одним из подходов к оценке требуемой производительности является моделирование управляющей системы с получением характеристик, позволяющих оценить ряд параметров системы, которые однозначно описывают возможность микроконтроллера справиться с задачами, возникающими при управлении этой системой. В данной работе описан поход к моделированию системы управления на базе микроконтроллера как системы массового обслуживания (СМО) [3].
В подавляющем большинстве случаев реакция микропроцессора на внешние воздействия реализуется через механизм внешних прерываний.
Прерывания в микроконтроллерах представляют собой механизм, который позволяет ему реагировать на внешние события. Этот механизм основан на том, что при наступлении некоторого события в системе, требующего реакции микроконтроллера, ему подается сигнал, заставляющий прервать выполнение текущей программы. После того как выполнение текущей программы прервано, микроконтроллер переходит к выполнению программной процедуры, связанной с этим событием (прерыванием) — процедуры обработки прерывания.
Значимость тех или иных событий в системе неодинакова. Одни события более важны и требуют немедленной реакции, другие менее важны, и с ответом на них можно подождать. Естественно, что и соответствующие этим событиям прерывания должны иметь разный приоритет. При одновременном возникновении нескольких прерываний микроконтроллер должен перейти к обработке прерывания, имеющего более высокий приоритет.
Классическая СМО производит обслуживание поступающих в нее требований (заявок) на обслуживающих приборах и может содержать
от одного до бесконечного числа приборов. В терминах теории массового обслуживания элементы узла сети могут быть представлены следующим образом:
1) запросы на прерывание: заявки-
2) флаг прерывания: очередь единичной длины-
3) микроконтроллер: обслуживающий прибор.
Исходя из аппаратной реализации системы
прерываний в микроконтроллере, СМО, соответствующая рассматриваемому узлу сети, представляет собой одноканальную СМО с потерями и дисциплиной обслуживания с относительными приоритетами.
Когда обслуживающий прибор свободен, следующая заявка на обслуживание выбирается из имеющихся в очередях в соответствии с приоритетами. Обслуживающий прибор задерживает каждую поступающую в него заявку на время, необходимое для обработки прерывания данного типа, и после освобождения готов принять следующую.
Рассмотрим имитационную модель работы микроконтроллера в составе системы управления. В качестве модели был выбран мобильный робот с управлением по беспроводному каналу связи с использованием видеокамеры и цифровых датчиков.
Рис. 1. Структурная схема модели
Для построения имитационных моделей использовались система моделирования AnyLogic и встроенная библиотека элементов для создания сложных дискретно-событийных моделей Enterprise Library.
Структурная схема модели изображена на рис. 1. Видеокамера и цифровые датчики являются источниками заявок, которые поступают в общий канал и обслуживаются микроконтроллером в соответствии с приоритетами.
В системе моделирования AnyLogic была построена модель (рис. 2) для исследования системы управления, представленной на рис. 1.
На схеме используются следующие обозначения:
1. Блоки sourceCamera… sourceBT — являются источниками заявок от видео камеры, акселерометра, гироскопа, компаса, дальномера и БТ модуля.
2. Блоки QueueCamera… QueueBT — блоки, моделирующие очередь.
3. Блоки sinkCamera.. sinkOutput — блоки, удаляющие заявки из системы соответственно источникам заявок (sourceCamera и т. д.).
4. Блоки selectlnputPriorityl… selectlnput-Priority4 — моделируют выбор заявки в соответствии с приоритетом.
5. Блок delay — блок имитации работы микроконтроллера. Обеспечивает задержку заявки на заданное время для разных типов заявок.
Рис. 2. Схема модели мобильного робота с управлением по беспроводному каналу связи с использованием видеокамеры и цифровых датчиков в системе моделирования АпуЬ (^1с
С использованием полученной модели были проведены несколько экспериментов, в которых задавались различные параметры входных потоков заявок от устройств системы и производительность микроконтроллера. Входные параметры были расчитаны отдельно для каждого устройства. Например, время обработки одного прерывания от видеокамеры определялось по формуле (1):
TCAM = (a*CT*N + f)*K*± (1) где, а — разрешение видео камеры- СТ — количество команд на обработку одного байта- N — число байт на цвет- f — количество команд на обработку фрейма- К — число кадров- CD — производительность контроллера в IPS.
Аналогичным образом были получены эмпирические выражения, оценивающие время обработки заявок от других источников. Задавшись конкретными значениями параметров, входящих в данные выражения, интенсивнос-тями потоков заявок и производительностью микроконтроллера в 11 MIPS, были получены значения временных интервалов обработки заявок, представленные в таблице.
Время обработки заявок при производительности микроконтроллера 11,5 MIPS
Устройство Время обработки заявки Интервал поступления заявок
Камера 0,06 с 0,067
БТ модуль 0,17 с 0,2
Дальномер 0,114 с 0,02
Компас 0,114 с 0,2
Акселерометр 0,86 с 0,02
Гироскоп 0,128 с 0,2
SOD. О-
¦ill- ,
Рис. 3. Результат моделирования при производительности микроконтроллера 11 MIPS
Было проведено моделирование, результаты которого отражены на рис. 3. Из анализа данной диаграммы видно, что производительности микроконтроллера не хватает для обработки всех заявок, так как ряд прерываний от акселерометра и дальномера не был обработан (следует отметить, что на диаграмме не приведены результаты обработки заявок от камеры и БТ-модуля).
В следующем эксперименте производительность микроконтроллера была увеличена до 12 MIPS. Результаты моделирования приведены на рис. 4. Видно, что микроконтроллер, обладая производительностью 12 MIPS, справился с потоком заявок.
Рис. 4. Результат моделирования при производительности микроконтроллера 12 MIPS
В качестве вывода можно сказать, что моделирование системы управления как системы массового обслуживания позволяет оценить требуемую производительность микроконтроллера.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Егунов В. А., Жуков А. П., Потапов М. И. Об управлении транспортной системой мобильного робота // Известия Волгоградского государственного технического университета: межвуз. сб. науч. ст. № 11 (84) / ВолгГТУ. -Волгоград, 2011. — С. 51−53 [Сер. Актуальные проблемы управления, вычислительной техники и информатики в технических системах. Вып. 12].
2. Егунов В. А., Жуков А. П., Потапов М. И. Об управлении манипуляционным механизмом мобильного робота // Известия Волгоградского государственного технического университета: межвуз. сб. науч. ст. № 11 (84) / ВолгГТУ. -Волгоград, 2011. — С 49−51 [Сер. Актуальные проблемы управления, вычислительной техники и информатики в технических системах. Вып. 12].
3. Robotic Complex Central Processing Node Performance Requirements Assessment / Egunov У.А., Kirnosenko S.I., An-dreev А.Е. // World Applied Sciences Journal (WASJ). — 2013. -Vol. 24, Spec. Issue 24: Information Technologies in Modern Industry, Education & amp- Society. — C. 37−42.

Показать Свернуть
Заполнить форму текущей работой