Informatica Industriala

1
Informatica Industriala

• Cursul 3
• Componente utilizate in sistemele digitale de
  control (continuare)

2
Procesoare digitale de semnal (DSP Digital
Signal Processors)

• Procesoare specializate pentru aplicatii in care
  domina operatiile de prelucrare a semnalelor
• Necesitatea
• procesoarele uzuale nu satisfac cerintele de
  viteza pentru semnale de frecventa mai mare
• schemele analogice au limitari de performanta, de
  complexitate
• Avantaje ale procesarii digitale a semnalelor
• imunitate mai mare la zgomot (datorita diferentei
  relativ mari între cele doua stari logice, zero
  si unu)
• precizie mai mare
• rezultatul prelucrarii nu depinde de variatiile
  de mediu (temperatura, umiditate) sau de variatii
  ale tensiunilor de alimentare
• pot fi implementate procedee complexe de
  prelucrare (exemplu filtre cu un numar mare de
  poli), a caror implementare analogica este
  dificila sau chiar imposibila datorita preciziei
  limitate a componentelor
• repetabilitatea în timp a procedeelor de
  prelucrare
• modificarea procedeului de prelucrare nu implica
  modificarea schemei hardware (modificarea se face
  prin rescrierea programului de prelucrare)

3
Operatii specifice de prelucrare a semnalelor

• Tipuri de operatii
• filtrare, amplificare, atenuare
• convolutie
• transformate Fourier, Laplaze, Z
• Din punct de vedere matematic
• integrala de convolutie intre semnalul de
  prelucrat si functia de prelucrare
• ?
• y(t) ? f(?)x(t-?)d?
• -?
• Unde
• -x(t) functia de intrare
• -y(t) functia de iesire
• -f(t) functia de transformare (prelucrare)

4
In domeniul digital

• ?
• y(nT) ? f(kT) x(nT-kT)
• k-?
• unde
• - y(nT) semnalul discret de iesire
  (esantionul n)
• - x(nT) semnalul discret de intrare
• - f(kT) functia discreta de
  transformare
• - T perioada de esantionare
• interpretare iesirea y la momentul nT este o
  suma ponderata a intrarii x la momente in jurul
  momentului nT
• functia de transformare f are valori diferite de
  0 in jurul originii (k0)
• practic, suma de convolutie are un numar finit de
  termeni
• daca T se considera unitatea de timp atunci se
  poate omite

5
Exemple

• Filtru trece jos mediere, eliminare zgomote
• y(n) (1/3)x(n-1)x(n) x(n1)
• media aritmetica a intrarilor din jurul
  momentului n
• 1/3 pt. k-1, 0, 1
• f(k)
• 0 in rest
• Filtru trece sus gradient
• y(n) x(n)-x(n-1)
• diferenta intre doua valori consecutive ale
  intrarii
• 1 pt. k0
• f(k) -1 pt. k-1
• 0 in rest

6
Caracteristici arhitecturale ale procesoarelor
de semnal

• asigura executia in timpul cel mai scurt a sumei
  de convolutie
• Caracteristici arhitecturale
• existenta unei Unitatea de multiplicare si
  acumulare repetitiva (eng. MAC Multiply and
  Accumulate)

7
Caracteristici arhitecturale

• Instructiuni complexe de multiplicare si
  acumulare
• mai multe variante posibile
• Magistrale interne multiple
• magistrala de date
• magistrala de cod
• Memorie interna pentru date si pentru program
• arhitectura Harvard
• Seturi multiple de registre interne
• timp de acces mai bun
• instructiuni mai scurte
• Moduri de adresare orientate pe siruri
• adresare indexata (cu incremetarea automata a
  indecsilor)
• adresare circulara buffer circular

8
Structura interna a unui procesor de semnal
(exemplu TMS320C25)
Magistrala de program
Controlor de magistrala
PC
Comenzi
Mem. de program ROM
Stiva
Adrese
Date
Reg. spec
Magistrala de date
AR0-7
DP
ARP
MAC
B1
B0
RAM
RAM
B2
RAM
9
Componentele procesorului TMS320C25

• RAM blocuri de memorie RAM
• B0 - 256x16 biti memorie pentru date si
  program
• B1 - 256x16 biti memorie pentru date
• B2 - 32x16 biti memorie pentru date
• ROM memoria interna pentru program (memorie
  nevolatila)
• MAC modul de multiplicare si adunare
• AR0-7- registre auxiliare (registre generale)
• ARP indicator catre registru auxiliar
• DP indicator de domeniu
• PC numarator de instructiuni (Program Counter)

10
Familii de procesoare de semnal

• procesoare pe 16 biti în virgula fixa TMS320C10,
  TMS320C20 si TMS320C50
• procesoare pe 32 de biti în virgula flotanta
  TMS320C30 si TMS320C40
• arhitectura multiprocesor orientata catre
  aplicatii multimedia TMS320C80

11
Aplicatii ale procesoarelor de semnal

• in domeniul industrial
• actionari electrice si controlul motoarelor
• instrumente de masura si analiza
• spectrometre
• analizoare de vibratii
• aparate de masura complexe
• Telecomunicatii
• centrale telefonice
• filtrare, codare/decodare on-line
• telefonie mobila
• modemuri
• Divertisment
• instrumente muzicale,
• jucarii electronice
• sintetizatoare de sunet, efecte speciale
• Aplicatii grafice
• acceleratoare grafice 3D,
• prelucrarea primara si recunoasterea imaginilor,

12
Calculatoare de proces

• sisteme de calcul cu caracteristici adecvate
  mediului industrial
• dimensiuni si forme specifice
• fiabilitate ridicata, toleranta la defecte
• rezistente la socuri mecanice, vibratii
• tolerante la variatii de temperatura, umiditate
• tolerant la personal necalificat
• tolerant la influente electromagnetice
• Touch-screen, butoane functionale

13
Caracteristici calculatoare de proces

• structura compacta, modularizata, de dimensiuni
  minime
• robustete si fiabilitate ridicata obtinute prin
  componente mecanice solide, conectori rezistenti
  la vibratii, praf si coroziune, componente
  electronice testate în conditii de mediu extreme
• interfata utilizator adaptata functiei pe care o
  îndeplineste si care rezista în mediile
  industriale (taste functionale, tastatura
  protejata la praf si umiditate, touch-screen,
  afisaj LCD, dispozitive de navigare fara
  componente mecanice, ecran protector rezistent la
  socuri, etc.)
• memorii externe pe suport semiconductor (EEPROM,
  FLASH, CMOS) în locul celor magnetice si optice
  care au anduranta mica în prezenta prafului
  industrial si a vibratiilor
• prezenta unor interfete pentru adaptarea
  semnalelor digitale si analogice provenite de la
  procesul controlat în multe cazuri se impune
  izolarea galvanica a acestor semnale de partea de
  calculator propriu-zis
• se înlocuieste structura placa de baza si placi
  de extensie tipica pentru calculatoarele de
  birou, cu o structura alcatuita dintr-un set de
  conectori (fund de sertar) si placi
  functionale, inclusiv placa procesor o astfel de
  structura permite înlocuirea si reactualizarea
  (up-grade-ul) diferitelor componente, chiar si a
  placii de procesor

14
Alte sisteme de calcul industriale

• sisteme modulare
• PC/104
• PLC (Programable Logic Controller) Programatoare
  logice programabile

• regulatoare PID

15
PLC

• control secvential
• logica binara inlocuitor pentru schemele de
  interconditionare cu relee
• programare (standard IEC 61131 )
• Ladder diagram (LD), graphical
• Function block diagram (FBD), graphical
• Structured text (ST), textual limbaj de nivel
  inalt
• Instruction list (IL), textual tip asamblare
• Sequential function chart (SFC ) programare
  concurenta

16
Lader Diagram (LD) Function Block
Diagram (FBD)

• S X AND ( Y OR Z )
• ---- ----------- --------( )
• X Y S
• -- --
• Z
• ------ ------\----( )
• start stop run
• ---- --
• run
• ------- --------------( )
• run motor

FTJ
Amp.
FTS
Logica Start/Stop
17
Sisteme de stocare a datelor (memorii)

• Obiective
• stocarea programului de aplicatie
• stocarea datelor de proces
• parametri de proces
• starea procesului
• Limitari si restrictii
• dimensiuni reduse
• pentru program 1k-64k
• pentru date 128-512 octeti
• se evita folosirea memoriilor externe pe suport
  magnetic sau optic (cele care au componete
  mecanice in miscare)
• se evita utilizarea memoriilor cache sau a
  memoriilor virtuale deoarece introduc
  nedeterminism

18
Memorii limitari si restrictii (cont.)

• utilizarea memoriilor nevolatile pentru
  evitarea pierderii datelor si a programelor
• PROM, EPROM pentru program
• EEPROM, Flash pentru date nevolatile (scrieri
  repetate)
• memorii CMOS cu baterie - pastrarea datelor la
  tensiuni mici (1,5V) si consum infim
• utilizarea memoriilor RAM statice pt. simplitate
  si pt. viteza
• circuite specializate pentru detectarea caderii
  de tensiune si comutarea memoriei in regim de
  stocare (ex MAX 6340, MAX 6381 )
• pentru microcontroloare, extensii de memorie pe
  canal serial (I2C)
• memorii seriale
• memorii externe pe suport semiconductor (ex.
  memory stick)