Этапы построения контроллера управления яркостью света

В статье обсуждаются возможности встроенных систем с контроллерами на современной цифровой платформе для решения задач управления освещения помещения светом. Особенностью применения таких систем является работа в реальном времени. Авторы статьи ставили себе единственную цель реализации процедур алгоритмизации и проектирования обсуждаемой системы по этапам, начиная от разработки алгоритма функционирования и заканчивая комплексными испытаниями вместе с выбранным контроллером.

Ключевые слова: система регулирования освещением, интенсивность излучения света, спектр света.

В наше время на основе контроллеров можно создавать встроенные системы на цифровой платформе для решения задач управления освещения помещения светом. Важной особенностью такого применения является работа в реальном времени, т. е. обеспечение реакции на внешние события в течение определенного временного интервала. Перед разработчиком такой системы стоит задача реализации проектирования системы по этапам, начиная от разработки алгоритма функционирования и заканчивая комплексными испытаниями в составе проектируемой системы контроллера [1–2]. Сложившаяся к настоящему времени известная методология проектирования контроллеров может быть представлена так, как показано на рисунке 1.

Рис. 1. Основные этапы разработки контроллера

Необходимо формулировать конкретные требования к используемому контроллеру с точки зрения реализации определенной функции управления освещения площади помещения светом. Алгоритм таких требований должен определить, что пользователь требует от контроллера и что разрабатываемая система управления с контроллером должна делать. При проектировании системы управляемого освещением составляется функциональная спецификация, которая определяет функции, выполняемые контроллером для пользователя. Также нужно описать форматы управляемых сигналов и регистрируемых данных, как на входе, так и на выходе системы управления, а также внешние условия, управляющие действиями контроллера.

Поэтому этап разработки алгоритма управления яркостью освещения является наиболее ответственным, поскольку ошибки данного этапа обычно обнаруживаются только при испытаниях законченной системы управления и приводят к необходимости дорогостоящей переработки всего создаваемого устройства. Разработка алгоритма обычно сводится к выбору одного из нескольких возможных вариантов алгоритмов, отличающихся соотношением объема программного обеспечения и аппаратных средств [3–4].

Максимальное использование аппаратных средств создаваемой системы упрощает разработку и обеспечивает высокое быстродействие используемого контроллера, но сопровождается увеличением стоимости и потребляемой мощности. При выборе типа контроллера должны учитываться следующие характеристики [5]:

— разрядность;

— набор команд и способов адресации;

— требования к источнику питания и потребляемая мощность в различных режимах;

— объем ПЗУ программ и ОЗУ данных;

— возможности расширения памяти программ и данных;

— наличие периферийных устройств (таймеры, процессоры событий);

— возможность перепрограммирования в составе устройства;

— наличие и надежность средств защиты внутренней информации;

— возможность поставки в различных вариантах конструктивного исполнения;

— стоимость в различных вариантах исполнения;

— наличие полной документации;

— количество и доступность каналов поставки, возможность замены изделиями или деталями других фирм.

Список этот не является исчерпывающим, поскольку специфика проектируемого устройства управляемой системы может перенести акцент требований на другие параметры контроллера. Общеизвестно, что номенклатура выпускаемых в настоящее время контроллеров исчисляется тысячами типов изделий различных фирм.

Современная стратегия модульного проектирования системы управления освещением помещения на цифровой платформе обеспечивает потребителя разнообразием моделей контроллеров с одним и тем же процессорным ядром [6]. Такое структурное разнообразие открывает перед разработчиком возможность выбора оптимальной структуры контроллера, не имеющего функциональной избыточности, что минимизирует стоимость комплектующих элементов проектируемой системы.

Однако для реализации на практике возможности выбора оптимального контроллера необходима достаточно глубокая проработка алгоритма управления яркостью освещения, оценка объема исполняемой программы и числа линий сопряжения с объектом на этапе выбора контроллера. Допущенные на данном этапе просчеты могут впоследствии привести к необходимости смены модели контроллера и повторной разводки печатной платы его макета. В таких условиях целесообразно выполнять моделирование элементов системы с использованием программно-логической модели выбранного контроллера.

На этапе разработки структуры контроллера окончательно определяется состав имеющихся и подлежащих разработке аппаратных модулей, протоколы обмена между модулями, типы разъемов [7]. Выполняется предварительная проработка конструкции контроллера. В части программного обеспечения (ПО) определяются состав и связи программных модулей, язык программирования. На этом же этапе осуществляется выбор средств проектирования и отладки.

После разработки структуры аппаратных и программных средств, дальнейшую работу применения контроллера можно распараллелить. Разработка аппаратных средств включает в себя разработку общей принципиальной схемы, разводку топологии плат, монтаж макета и его автономную отладку. На этапе ввода принципиальной схемы и разработки топологии используются метод и программа проектирования типа ACCEL EDA или OrCad.

Содержание этапов разработки ПО, его трансляции и отладки на моделях существенно зависит от используемых системных средств. В настоящее время ресурсы 8-разрядных контроллеров достаточны для поддержки программирования на языках высокого уровня [8]. Это позволяет использовать все преимущества структурного программирования, разрабатывать программы с использованием раздельно транслируемых модулей. Одновременно продолжают широко использоваться языки низкого уровня типа ассемблера, особенно при необходимости обеспечения контролируемых интервалов времени. Задачи предварительной обработки данных часто требуют использования вычислений с плавающей точкой, трансцендентных функций. В настоящее время самым мощным средством разработки ПО для контроллеров являются интегрированные среды разработки [10], имеющие в своем составе: менеджер проектов, текстовый редактор и симулятор, а также допускающие подключение компиляторов языков высокого уровня Си++ или Phyton. Архитектура многих 8-разрядных контроллеров вследствие малого количества ресурсов, страничного распределения памяти, неудобной индексной адресации и архитектурных ограничений не обеспечивает компилятору возможности генерировать эффективный код.

Для проверки и отладки ПО используются программные симуляторы, предоставляющие пользователю возможность выполнять разработанную программу на программно-логической модели контроллера. Программные симуляторы распространяются бесплатно и сконфигурированы сразу на несколько контроллеров одного семейства. Выбор конкретного типа контроллера среди моделей семейства обеспечивает соответствующая опция меню конфигурации симулятора. При этом моделируется работа ЦП, всех портов ввода/вывода, прерываний и другой периферии. Карта памяти моделируемого контроля загружается в симулятор автоматически, отладка ведется в символьных обозначениях регистров.

Загрузив программу в симулятор, пользователь имеет возможность запускать ее в пошаговом или непрерывном режимах, задавать условные или безусловные точки останова, контролировать и свободно модифицировать содержимое ячеек памяти и регистров симулируемого контроллера.

Этап совместной отладки аппаратных и программных средств в реальном масштабе времени является самым трудоемким и требует использования инструментальных средств отладки. К числу основных инструментальных средств отладки относятся [11]:

— платы развития (оценочные платы);

— мониторы отладки;

— эмуляторы ПЗУ.

Внутрисхемный эмулятор — программно-аппаратное средство, способное заменить эмулируемый МК в реальной схеме. Внутрисхемный эмулятор — это наиболее мощное и универсальное отладочное средство, которое делает процесс функционирования отлаживаемого контроллера прозрачным, т. е. легко контролируемым, произвольно управляемым и модифицируемым. Платы развития (оценочные платы, Evaluation Boards), являются конструкторами для макетирования контроллеров и всей необходимой ему стандартной периферией. На этой плате устанавливают схемы связи с внешним компьютером. Эмулятор ПЗУ — программно-аппаратное средство, позволяющее замещать ПЗУ на отлаживаемой плате, и подставляющее вместо него ОЗУ, в которое может быть загружена программа с компьютера через один из стандартных каналов связи. Это устройство позволяет пользователю избежать многократных циклов перепрограммирования ПЗУ.

Рис. 4. Функциональная схема микроконтроллера ATMega 16L

В последнее время появились модели интеллектуальных эмуляторов ПЗУ [12], которые позволяют «заглядывать» внутрь структуры контроллера на плате пользователя. Этап совместной отладки аппаратных и программных средств в реальном масштабе времени завершается, когда аппаратура и ПО совместно обеспечивают выполнение всех шагов алгоритма работы проектируемой системы. В конце этапа отлаженная программа заносится программатором в память контроллера, и проверяется работа контроллера без эмулятора.

Для проектирования устройства автоматического регулирования освещения помещения следует выбрать недорогой, простой и широко используемый контроллер тип ATMega 16L (рисунок 2). Корпорация ATMEL, основанная в 1984, является признанным мировым лидером в областях разработки, производства электронных компонентов.

Отметим технические характеристики ATMega16 (рисунок 3):

— 32 8-битных рабочих регистра, 4 полноценных 8-битных порта ввода/вывода;

— два 8-битных таймера/счетчика и один 16-битный;

— 10-разрядный АЦП и внутренний тактовый генератор на 1 МГц;

— аналоговый компаратор и интерфейсы SPI, I2C, TWI, RS-232, JTAG;

— модуль широтно-импульсной модуляции (ШИМ);

— 8-разрядный высокопроизводительный AVR микроконтроллер и RISC архитектура.

— 6 режимов пониженного потребления: Idle, Power-save, Power-down, Standby, Extended Standby и снижения шумов ADC;

— 32 программируемые линии ввода/вывода и 40-выводной корпус PDIP (TQFP);

— напряжение питания — 2,7–5,5 В и тактовая частота 0–8 МГц.

Литература:

1. Ланцов А. Качество искусственного освещения. www.e-audit.ru/light/quality.shtml.
2. Елена Г. Экология человека, М.: Дрофа. www.libma.ru/nauchnaja_literatura_prochee/ yekologija_cheloveka/p2.php.
3. Прокофьев А, Туркин А., Яковлев А. Полупроводниковая светотехника. Журнал № 5. 2010. С. 60.
4. Control of artificial light for plantsii. automatic control of light intensity and spectral composition — TSuyoshl MATSUI, Hlroml EGUCHI, Yasuhlko SOEJIMA, and HAMAKOGA Biotron Institute, Kyushu University, Fukuoka, Japan (Received June 2, 1975).
5. Люминесцентная лампа — Материал из Википедии.
6. Белый светодиод Материал из Википедии.
7. Datasheet SUPER FLUX LED LA M P, 4PIN LED — BL-FL760Rxx.
8. http://imed.narod.ru/el_mech/pwm.htm.
9. Завьялов В. А. Методические основы теории автоматического управления: учебное пособие / В. А. Завьялов, К. Е. Горшков, И. В. Редин. — М.: МГСУ, 2009. — 75 с.
10. http://arx.novosibdom.ru/node/188.
11. СНиП 23–05–95. Естественное и искусственное освещение.
12. Справочная книга для проектирования электрического освещения. / Под ред. Г. Б. Кнорринга. — Л.: Энергия, 2016.