Особенности разработки аппаратурных и программных средств МК

Применение однокристальных микроконтроллеров в системах управления объектами привело к глобальным изменениям в разработке АС устройств и систем, т.к. МК является логическим автоматом, который допускает большое число вариантов его системного включения, а следовательно, и использования.

Поэтому типовой состав АС любой МК-системы оформляется в виде одноплатных универсальных программируемых контроллеров для встраивания их в контур управления объектом или процессом.

На печатной плате предусмотрены панельки для установки дополнительных интерфейсных БИС и БИС памяти пользователя, а также "монтажное поле пользователя", на котором он может смонтировать свои специфические схемы (АЦП, ЦАП, реле и т.п.), источник электропитания.

Одним из примеров такого одноплатного серийно выпускаемого контроллера на базе ЦП К1810ВМ86 является контроллер мМС1212, имеющий следующий состав АС на плате (рис.2):


 

 

 


 

Такой подход одноплатного контроллера избавляет разработчика и изготовителя от необходимости сопровождать конструкторской и эксплуатационной документацией центральную часть изделия, а сопроводительная документация на АС содержит только документы на аппаратуру сопряжения ядра системы с датчиками и исполнительными механизмами объекта управления.

Таким образом, объем трудозатрат на разработку АС постоянно уменьшается по отношению к суммарным затратам на разработку и отладку ППО. Также сокращается объем проектной документации на АС из-за широкого применения многофункциональных интерфейсных БИС, ЦАП, АЦП. Кроме того, фирмы-изготовители однокристальных МК берут на себя разработку АС одноплатных контроллеров универсального типа и все более насыщенные части АС из разряда подсистем переходят в разряд комплектующих изделий.

Объем же документации на ППО и его разработку имеет устойчивую тенденцию роста из-за стремления разработчиков использовать все более совершенные и более сложные алгоритмы управления, а проектным документом на изделие является листинг прикладной программы МК (исходный текст и машинные коды) и алгоритмы управления (блок-схемы ППО).

Поэтому при проектировании МК систем все чаще приходится решать задачу оптимизации распределения функций между АС и ППО по ряду критериев.

Так для АС использование дополнительных специализированных интерфейсных БИС позволяет:

¨ упростить разработку ППО, так как часть его функций передается на АС;

¨ обеспечивает высокое быстродействие системы;

¨ однако, увеличивает стоимость изделия, габариты и потребляемую мощность.

Большой удельный вес ППО позволяет:

¨ сократить число компонентов системы и стоимость АС;

¨ однако, приводит к снижению быстродействия;

¨ увеличению затрат и сроков разработки и отладки ППО;

¨ может увеличиться и число БИС внешних памятей программ и данных МК системы.

Поэтому решение о выборе варианта распределения функций между АС и ППО системы принимается в зависимости от тиража изделия, ограничений по стоимости, габаритам, потребляемой мощности и быстродействию изделия.

Достоинством программной реализации алгоритма управления является возможность его модификации путем перепрограммирования, что отодвигает сроки "морального старения" контроллера.

При проектировании контроллеров часто используют практику работы "тандемом", когда над разработкой ППО для МК работают профессиональный программист и непрограммирующий профессионал в конкретной предметной области (от заказчика).

Недостатком такого подходя является сложность изложить программисту смысл задачи управления, что затрудняет формализацию задачи и зачастую задача оптимизации ППО остается нерешенной, а в формализацию и алгоритмы могут быть введены ошибки из-за непонимания сущности задачи программистом. При этом надо учитывать, что процесс решения задачи алгоритмизации и формализации занимает до 70% всего времени создания контроллера.

Поэтому трудоемкость устранения ошибок при работе "тандемом" столь велика, что может привести к необходимости разработки ППО заново и иными средствами.

Таким образом процесс разработки ППО можно разделить на этапы:

1. Анализ предметной области с целью определения круга задач, автоматизация решения которых на основе МК систем обещает наибольший эффект. На этом же этапе выполняется постановка задачи, выбор состава АС и структуры ППО, составление спецификаций на проектирование (трудоемкость 40%).

2. Разработка алгоритмов решения задачи и их формализация (трудоемкость 50%).

3. Собственно программирование, т.е. сопровождение разработки ППО системными средствами поддержки проектирования на отладочных комплексах ( 10%).

Поэтому сегодня часто говорят не о проблеме разработки ППО, а о проблеме формализации профессиональных знаний конечного пользователя МК изделий, т.е. побудить специалистов, работающих в своих предметных областях знаний взять дело разработки ППО МКС управления в свои руки при некоторой поддержке со стороны профессиональных программистов, т.е. овладеть одним из языков программирования, освоить программную реализацию наиболее часто используемых процедур и функций в данной предметной области.

Третий этап разработки на сегодня хорошо формализован и имеет системные средства поддержки: языки программирования, трансляторы, редакторы, отладчики и т.п.

Следовательно, одной из задач является подготовка программирующего профессионала, тем более, что с увеличением емкости БИС памяти и их удешевлением изменились стиль и технология разработки программ, а экономят сейчас не память, а время разработчика ППО, т.е. сокращение сроков разработки изделий.