Проектирование алгоритмического и программного обеспечения мехатронных систем

Московский государственный технический университет 
имени Н.Э. Баумана 
 
 
 
 
 
 
А.А. Бошляков, С.B. Овсянников 
 
 
 
 
Проектирование алгоритмического 
и программного обеспечения 
 мехатронных систем 
 
 
 
Рекомендовано редсоветом МГТУ им. Н.Э. Баумана 
в качестве учебного пособия 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Москва 
Издательство МГТУ им. Н.Э. Баумана 
2007 
 
1 

УДК 62-523 
ББК 32.965 
    Б867 
 
 
 
 
 
Рецензенты: Л.Д. Нечаев, Г.П. Тарасов 
 
 Б867 
 
Бошляков А.А., Овсянников С.В. 
Проектирование алгоритмического и программного обеспечения мехатронных систем: Учеб. пособие. – М.: Изд-во МГТУ 
им. Н.Э. Баумана, 2007. – 56 с.: ил. 
  ISBN 978-5-7038-2998-1 
Обязательным компонентом любого современного мехатронного устройства является микропроцессорная система, реализующая алгоритмы управления программным способом. В пособии изложены этапы и подходы к проектированию алгоритмического и программного обеспечения для микропроцессорных 
модулей мехатронных систем.  
Для студентов, изучающих курс «Проектирование мехатронных систем». 
Ил. 16. Табл. 12. 
 
 
УДК 62-523 
ББК 32.965 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
ISBN 978-5-7038-2998-1                               © МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2007 
 
2 

 
ВВЕДЕНИЕ 
Обязательным компонентом любой современной мехатронной системы является микроЭВМ, реализующая алгоритмы 
управления системой с помощью программных средств. Часто 
такие микроЭВМ представляют собой один или несколько микропроцессорных контроллеров (МПК).  
Под микропроцессорным контроллером принято понимать 
функционально законченную совокупность микропроцессора и 
связанных с ним периферийных устройств, таких как оперативные запоминающие устройства (ОЗУ) памяти, постоянные запоминающие устройства (ПЗУ) памяти, таймеры, контроллеры 
прерываний и системной шины, порты ввода/вывода, аналогоцифровые преобразователи (АЦП), цифроаналоговые преобразователи (ЦАП), разнообразные универсальные асинхронные 
(UART, CAN) и синхронные (SPI, I2C) приемопередатчики, супервизоры питания и т. д.  
Микропроцессорный контроллер может быть реализован 
как в виде электронного блока на основе микросхемы микропроцессора и соответствующих ему микросхем периферийных 
устройств, так и в виде однокристального микроконтроллера 
(как с набором дополнительных микросхем периферийных устройств, так и без него).  
Примером первого варианта реализации МПК для мехатронных систем могут служить микропроцессорные контроллеры на базе 16-разрядного микропроцессора Intel 80х86 и набора микросхем периферийных устройств, предназначенных для 
работы с ним (отечественные аналоги – микропроцессор 
К1810ВМ86 и комплект БИС 1810). Примером второго варианта 
могут служить однокристальные 8-разрядный микроконтроллер 
Intel MСS51 и 16-разрядный микроконтроллер MCS196, а также 
однокристальные 16-разрядные микроконтроллеры семейства 
Siemens SAB C167. 
 
3 

Как правило, использование 8-разрядных МПК оправданно 
только для «простых» мехатронных систем, имеющих низкую 
динамику и невысокую точность. В остальных случаях необходимо применять 16-разрядные МПК. Практика показывает, что 
реализация корректирующих устройств в высокоточных мехатронных системах (например, в системах наведения антенных 
установок) с использованием 16-разрядных МПК требует работы с двойным словом, т. е., по сути, речь идет о необходимости 
32-разрядной реализации корректирующих устройств. Однако 
использование 32-разрядных МПК в мехатронных системах не 
получило широкого распространения из-за более «слабого» набора периферийных устройств в 32-разрядных микроконтроллерах по сравнению с 16-разрядными. 
В силу этого материал по проектированию алгоритмического и программного обеспечения мехатронных систем излагается 
в пособии применительно к системам с 16-разрядными МПК, 
работающими на основе микропроцессоров Intel 80х86 и однокристальных микроконтроллеров семейства Siemens SAB C167 
(и их аналогов – микроконтроллеров семейств Infineon C167 и 
ST Microelectronics ST10CT167). 
1. ПРОЦЕСС ПРОЕКТИРОВАНИЯ МЕХАТРОННОЙ 
СИСТЕМЫ С МИКРОПРОЦЕССОРНЫМ 
КОНТРОЛЛЕРОМ  
1.1. Этапы проектирования 
В общем случае процесс проектирования мехатронной системы с МПК с точки зрения создания ее программного и алгоритмического обеспечения можно изобразить в виде схемы, содержащей семь основных этапов (рис. 1). Рассмотрим их, отметив возможное их соответствие реальным этапам разработки 
изделия. 
Этап 1. Анализ технического задания – ТЗ (аванпроект). 
Содержанием этапа являются: 
• определение структурного построения мехатронной системы; 
• определение функционального построения мехатронной 
системы; 
 
4 

• выбор элементной базы системы, в том числе выбор МПК; 
• определение перечня корректирующих устройств и законов управления, которые предполагается реализовать в МПК. 
Рис. 1 
 
5 

Этап 2. Синтез мехатронной системы (эскизный, технический проекты). 
Этап синтеза (в широком смысле) можно представить в виде пяти шагов: 
• энергетический расчет силовой части мехатронной системы; 
• разработка математической модели неизменяемой части 
мехатронной системы; 
• «ручной» синтез (синтез в узком смысле) мехатронной системы; 
• моделирование мехатронной системы; 
•  разработка блок-схемы алгоритмического обеспечения мехатронной системы. 
Содержанием первого шага является окончательный выбор 
исполнительного устройства из числа рассмотренных на этапе 
анализа технического задания.  
Второй шаг состоит в разработке простейшей математической модели для проведения «ручного» синтеза без учета всех 
особенностей, вносимых МПК. Естественным представляется 
вариант создания модели в виде структуры с фазовыми координатами. 
Третий шаг – синтез линейной системы традиционными 
«ручными» методами (например, частотными), желательно с 
применением программного обеспечения для автоматизации расчетов и построения «точных» частотных характеристик (например, с помощью программы Mathcad). Из всех особенностей, 
вносимых МПК в динамику системы, здесь целесообразно учитывать только квантование по времени. Шаг заканчивается определением передаточных функций корректирующих устройств и 
законов управления исполнительным устройством, которые являются исходной точкой для последующего моделирования.  
Четвертый шаг состоит в моделировании мехатронной системы с МПК с помощью программной модели, реализованной 
на персональном компьютере. Обязательным условием адекватности модели реальной системе является отражение особенностей, вносимых МПК: 
• квантования по времени; 
• квантования по уровню; 
• ограничения разрядной сетки в МПК и в периферийных 
устройствах, например в АЦП и ЦАП. 
 
6