Н. А. Назарбаева народу Казахстана

 

 

267 

REFERENCES 

1.  Sh.K.  Koshimbayev,  Waldemar  Wojcik,  Zh.B.  Shegebaeva,  G.S.Bajandina.  Postanovka  zadach  mnogomernogo 

upravlenija    tehnologicheskimi  processami medeplavil'nogo  proizvodstva na  osnove  modeli  s  optimizaciej. –  Almaty:  Vestnik 

KazNTU №5(99), 2013 

2. Sh.K. Koshimbayev Optimal'noe upravlenie tehnologicheskimi processami metallurgicheskogo ceha medeplavil'nogo 

proizvodstva.-Almaty: Vestnik KazNTU №4, 2004 

3. Proizvodstvo cvetnyh metallov. – 2-e izd. Utkin N.I. – M.: Intermet Inzhiniring, 2004. – 442s. 

4. Borodin I.F., Sudnik Ju.A. Avtomatizacija tehnologicheskih processov. M.: Intermet Inzhiniring, 2004. – 262s. 

5. Fafurin V.A. Avtomatizacija tehnologicheskih processov i proizvodstv. M.: Intermet Inzhiniring, 2008. – 317s. 

 

Кошимбаев Ш.К.,Иманбекова У.Н. 

Металлургиялық агрегаттардағы мыс штейндерінің математикалық моделі 

Түйіндеме.  Бұл  мақалада  мыс  балқыту  өндірісінің  технологиялық  операциясының  кешенін  оперативті 

басқару  сипатталады.  Ол  конверторлық  бөлімнің  жұмыс  кестесін  оперативті  түзетуге  негізделеді.  Көп 

жағдайларды  қиылыспайтын  ішкі  көптерге  бөлу,  яғни  олардығ  саны  басқарудың  альтернативті  басқаруының 

санына сәйкес болуы әдістің мән-мағынасы болып табылады.  

Түйін сөздер: математикалық модельдеу, металлургиялық цех, микромодельдер, басқару алгоритмдері. 

 

Koshimbayev Sh.K.,Imanbekova U.N. 

Mathematical modeling of copper matte in metallurgical aggregates 

Summary.  This  article  describes  the  operational  management  of  complex  technological  operations  copper 

production. It is confined to the operational adjustment of the work schedule of the Converter unit. The method consists 

in  the  decomposition  of  the  set  of  situations  of  non-overlapping  subsets,  the  number  of  which  corresponds  to  the 

number of alternative management solutions. 

Key words: Mathematical modeling, metallurgical plant, micromodule, the control algorithm. 

 

 

УДК 004 

 

Маликова Ф.У.

1

, Плаксин И.М.

2

, Харитонов П.Т.

2 

1

Казахский национальный технический университет имени К.И. Сатпаева,  

г. Алматы, Республика Казахстан 

2

 Пензенский государственный университет,  

г. Пенза, Россия 

 

ИССЛЕДОВАНИЕ  ВАРИАНТОВ  И  РЕАЛИЗАЦИЯ АППАРАТНО - ПРОГРАММНОГО 

КОМПЛЕКСА  АВТОМОБИЛЬНОГО  ИЗМЕРИТЕЛЯ ЖИДКИХ ПИЩЕВЫХ ПРОДУКТОВ 

 

Аннотация:  В  данной  статье  рассмотрен  пример  реализации  аппаратно-программного  комплекса 

автомобильного  измерителя-дозатора  жидких  пищевых  продуктов.  Проведен  анализ  принципов  построения 

мобильной  измерительной  аппаратуры,  обоснован  выбор  предлагаемых  решений  и  применяемых  технологий. 

Рассмотрено программное обеспечение, его функциональные и структурные аспекты.      

Ключевые  слова:  аппаратно  -  программный  комплекс,  измерительная  аппаратура,  жидкие  пищевые 

продукты, программное обеспечение, модульная структура. 

 

Введение.  В  современных  технологических  процессах  значительная  роль  отведена  контролю 

определенных объемов жидкости, расходуемых различными, в том числе подвижными техногенными 

объектами,  а  также  используемых  при  приготовлении  различных  продуктов  и  технологических 

смесей  с  применением  жидких  составляющих.  При  контроле  объемов  жидкостей  важно  обеспечить 

высокую  достоверность  результатов  и  приемлемые  эксплуатационные  характеристики.  В  данной 

статье  предлагается  пример  построения  автомобильного  измерителя-  дозатора  жидких  пищевых 

продуктов,  который  выполнен    в  виде  мобильного  измерителя  объемного  расхода  жидкостей  с 

использованием  мерного  технологического  объема.  Анализ  имеющихся  исследований  и  разработок 

по  контролю  расхода  жидкостей  с  использованием  прямого  метода  измерения  с  помощью  мерных 

объемов  [1-6]  подтверждает  актуальность  решения  данной  задачи.  Данный  метод  позволяет  при 

небольших ресурсных затратах получить достаточно высокую точность измерения, что при огромных 

контролируемых  объемах расходов жидкостей приведет к повышению качества и многомиллионной 

экономии  в  различных  отраслях  современного  производства  и  потребления  жидких  пищевых 

продуктов.  

 

 

268 

В  основу  для  реализации  мобильного  измерителя  объемного  расхода  жидкости  (МИОРЖ)  [6] 

заложены  мерная емкость, два мерных объема, распределитель, процесс попеременного наполнения 

и  опорожнения  мерных  объемов.  Структура  МИОРЖ  представлена  на  рисунке  1.  В  состав  МИОРЖ 

входят две конусообразные мерные емкости 1 и 2, в вершинах которых выполнены штуцеры 3…6, в 

местах их присоединения к вершинам мерных емкостей размещены сигнализаторы 7 и 8 наполнения 

и  сигнализаторы  9  и  10  опорожнения  мерных  емкостей  1  м  2  соответственно.  К  штуцерам  3  и  4 

присоединенрессивер  в  составе  емкостей  11  и  12,  соединенных  трубкой  13.  К  штуцерам  5  и  6 

присоединены входы-выходы трехпозиционных электроклапанов 14 и 15 соответствнно. Входы 17 и 

18  электроклапанов  присоединены  ко  входному  коллектору  19  устройства.  Выходы  20  и  21 

электрокдапанов 14 и 15 присоединены к выходному коллектору 22, к выходу которого присоединен 

запорный электроклапан 23 с выходным патрубком 24 устройства. 

 

 

 

Рисунок 1 - Структура устройства для измерения расхода жидкостей 

 

Входы  17  и  18  электроклапанов  14  и  15  подключены  к  мощным  выходам  триггеров  25  и  26 

соответственно. Входы триггера 25 подключены к выходам сигнализаторов 7 и 9 мерной емкости 1, а 

входы триггера 26 подключены к выходам сигнализаторов 8 и 10 мерной емкости 2. Вход управления 

запорным  электроклапаном  23  подключен  к  первому  мощному  выходу  микропроцессора  27,  а  ко 

второму и третьему мощным выходам микропроцессора 27 подключены входы управления выходами 

20  и  21  трехпозиционных  электроклапанов  14  и  15  соответственно.  К  первой  группе  D

1

  цифровых 

входов  микропроцессора  27  подключены  выходы  сигнализаторов  3…6,  ко  второй  его  группе  D

2 

подключена клавиатура 28, а к третьей группе D

3 

цифровых входов микропроцессора 27 подключены 

входы индикатора/регистратора 29 режимов и результатов измерения устройства.  

Аппаратно-программный комплекс МИОРЖ  реализован в виде макетного  образца, в котором 

кроме  оригинального  общего  построения  использованы  фрагменты  давно  известных  технических 

решений [7-11]. Структура действующего макетного образца представлена на рисунке 2. 

 

 

269 

 

 

Рисунок 2 - Структура действующего макетного образца 

 

Процессоры  ARM  являются  ключевым  компонентом  для  большого  количества  успешных  32-

битных  встраиваемых  систем.  Процессоры  ARM  широко  используются  в  мобильных  телефонах, 

планшетах  и  других  портативных  устройствах.  ARM  основаны  на  RISC-архитектуре,  что  позволяет 

уменьшить  потребление  энергии  процессором  и,  таким  образом,  делает  их  идеальным  выбором  для 

встраиваемых систем.  

Хотя ARM основаны на RISC-архитектуре, они не полностью повторяют принципы построения 

таких  систем.  Для  того,  чтобы  сделать  ARM  более  приспособленными  к  использованию  во 

встраиваемых системах, пришлось пойти на следующие отклонения от принципов RISC:  

1.  Переменное  количество  циклов  выполнения  для  простых  инструкций.  Простые  инструкции 

ARM  могут  потребовать  на  выполнение  более  одного  цикла.  Например,  выполнение  инструкций 

Load и Save зависит от количества регистров, которые им переданы.  

2. Возможность соединять команды сдвига и вращения с командами обработки информации.  

3.  Условное  выполнение  –  инструкция  выполняется  только  в  том  случае,  если  выполняется 

конкретное условие. Это увеличивает производительность и позволяет избавиться от операторов ветвления.  

4.  Улучшенные  инструкции  –  процессоры  ARM  поддерживают  улучшенные  DSP-инструкции 

для операций с цифровыми сигналами.  

Программист может рассматривать ядро ARM как набор функциональных блоков – ALU, MMU и 

др.,  –  соединенных  шиной  данных.  Данные  поступают  в  процессор  через  шину  данных.  Декодер 

инструкций  обрабатывает  инструкции  перед  их  выполнением.  ARM  могут  работать  только  с  данными, 

которые  записаны  в  регистрах,  поэтому  перед  выполнением  инструкций  в  регистры  записываются 

данные  для  их  выполнения.  ALU  считывает  данные  из  регистров,  выполняет  необходимые  операции  и 

записывает результат обратно в регистр, откуда его можно записать во внешнюю память.  

Таким  образом  использование  выбранной  платы  STM32F429-DISCO  имеет  следующие 

преимущества: 

-  высокая  производительность  (дает  возможность  управлением  графическим  интерфейсом  на 

высоком уровне); 

-  отсутствие  доработок  и  дополнительных  элементов  (все  необходимы  элементы  для  модуля 

управления макета уже собраны на одной плате); 

-  сокращенные  сроки  на  разработку  ПО  (имеются  в  свободном  доступе  программные 

библиотеки и примеры работы отладочной платы); 

- 

перспективная 

в 

дальнейших 

применениях 

технология 

(современный 

дешевый 

производительный микроконтроллер создан для применения в подобных системах); 

- невысокая стоимость (отладочная плата до 80$, сам микроконтроллер до 20$); 

 

 

 

 

Емкость 1 

Модуль управления 

Модуль сопряжения 

 

 

 

 

Емкость 2 

К1 

К2 

Д4 

К3 

К4 

Д2 

Д1 

Д3 

К5 

 

 

270 

- широкие возможности увеличения функциональности (на плате остались не задействованные 

в данной работе элементы, такие как 3-осный акселерометр, датчик температуры, но перспективные 

для применения в дальнейших разработках). 

При  программировании  микроконтроллера  STM32F429  использовался  эмулятор  J-Link  фирмы 

SEGGER.    J-Link  -  это  JTAG  эмулятор  с  питанием  от  шины  USB,  поддерживающий  большое 

количество  ядер  CPU.  Основанный  на  32-разрядном  RISC  CPU,  он  может  с  высокой  скоростью 

обмениваться данными со всеми поддерживаемыми CPU. J-Link используется в десятках тысяч мест 

по  всему  миру  для  целей  разработки  и  производства  (программирования  flash  памяти).  Эмулятор  J-

Link  EDU  поддерживается  IAR  EWARM,  KEIL  µVision,  Rowley  Crossworks,  и  CodeSourcery  G++. 

Посредством GDB-Server, в список поддерживаемого ПО, также, входят Atollic TrueStudio, Yagarto, и 

другие, основанные на GDB, или совместимые с ним средства разработки. Функция Flash Breakpoints 

позволяет  пользователю  устанавливать  неограниченное  количество  точек  останова  во  внутренней 

flash памяти отлаживаемой микросхемы. 

На рисунке 3 представлена схема модуля управления напряжения аппаратуры МИОРЖ. Блоки 

А1,  А2  схемы  являются  герконовыми  датчиками  положения  магнитного  поплавка.  Герконовые 

датчики SF1, SF2 устанавливаются в верхнее и нижнее положения шкалы резервуара 1, герконы SF3, 

SF4 соответственно  устанавливаются на резервуар 2. Применены герконы марки КЭМ-2, но в ввиду 

низкого  коммутируемого  напряжения,  могут  быть  использованы  герконы  другого  типа  с 

аналогичным  временем  переключения.  В  первую  очередь,  их  применение  связано  с  широким 

спектром преимуществ, которые предоставляют герконы для разработчиков: 

–  благодаря  полностью  герметичному  контакту  герконы  могут  применяться  в  условиях 

повышенной влажности и запыленности в широком диапазоне рабочих температур (-60°С...+150°С); 

– высокое быстродействие, от 0.5 до 1.5 мс; 

– малая потребляемая мощность, от 50 до 200 мВт; 

– низкое сопротивление контакта, 0.1 Ом; 

– высокая механическая износостойкость - ударные нагрузки до 500 g; 

– долгий срок службы, от 10 млн. срабатываний и выше. 

Основой  блоков  А3  и  А6  являются  микросхемы  серии CD4027BE,  представляющие  собой  два 

двухступенчатых  (master-slave)    JK-триггера  со  входами  асинхронной  установки  и  сброса  и 

противофазными  выходами.  Двухступенчатый  JK-триггер  микросхемы CD4027BE  работает 

следующим  образом:  входы  установки  (S)  и  сброса  (R) не  зависят  от  импульсов  синхронизации  т.е. 

являются  асинхронными.  Они  имеют  активный  высокий  уровень  (лог."1").  Поступление  высокого 

уровня на один из входов R или S устанавливает  обе ступени JK-триггера соответственно в  "0" или 

"1"  независимо  от  состояния  других  входов.  Длительность  импульса  синхронизации  на  входе  C 

должна быть не менее 170нс с крутизной фронта не менее 5мкс. Длительность импульсов на входах S 

и  R  не  менее  120нс.  В  данном  случае  микросхема  CD4027BE  используется  в  режиме  асинхронного 

RS-триггера, поскольку применение ее в других режимах требует использования генератора тактовых 

импульсов, что привело бы к необоснованному усложнению схемы, использованию дополнительных 

компонентов  и  увеличению  размеров  готового  устройства.  Однако,  применение  триггеров  данного 

типа позволяет в случае необходимости гибко реорганизовать логику работы схемы.  

Блок А3 предназначен для управления впускными электроклапанами резервуаров 1 и 2. Резисторы 

R1-R4  блока  А3  обеспечивают  подтяжку  входов  триггеров  к  земле  для  обеспечения  необходимого 

логического уровня нуля. Входы микросхемы DD2 блока А6 подключены параллельно микросхеме DD1 

блока  А3,  целью  подобного  включения  является  снижение  нагруженности  выходов  триггеров 

микросхемы  DD1,  поскольку  блок  А6  реализует  подачу  сигналов  на  плату  микроконтроллера,  пары 

резисторов:  R11-R15,  R12-R17,  R13-R16,  R14-R18,  -  являются  резистивными  делителями  напряжения  с 

коэффициентом деления К=2 и предназначены для согласования логических уровней цепей +5В модуля 

управления электроклапанами и +3В платы микроконтроллера. 

Блок А4 предназначен для управления выпускными клапанами резервуаров 1, 2 и представляет 

собой  3  транзисторных  ключа,  обеспечивающих  повышающее  согласование  логических  уровней 

цепей  +3В  платы  микроконтроллера  и  +5В  модуля  управления  электроклапанами.  Используются 

биполярные  транзисторы  n-p-n  структуры,  но  допустимо  использовать  и  полевые  транзисторы, 

управляемые логическим уровнем. 

Блок  А5  представляет  собой  5  твердотельных  нормально  разомкнутых  реле,  управляемых 

логическим уровнем +5В CPC1035N. Данные реле  позволяют коммутировать напряжение до 350В и 

током до 100 мА, обладая при этом очень низким временем переключения: 2мс на замыкание и 1 мс 

на  размыкание  цепи.  Выходы  реле  зашунтированы  диодами  для  защиты  от  обратного  напряжения, 

образующегося в катушке индуктивности электромагнитного клапана при обратном ходе его штока. 

 

 

271 

 

Рисунок 3 – Схема модуля управления напряжением аппаратуры 

мобильного измерителя объемного расхода жидкости 

 

Далее перейдем к описанию программного обеспечения проекта MIORG.  

Примем  за  "1"  для  U1,U2,U3,U4  сигнал  с  датчика  в  момент  срабатывания  граничного  значения 

уровня жидкости и за "0" для всех остальных значений сигнала. Также примем за "1" для U5,U6,U7,U8,U9 

состояние  клапана  "открыт"  и  за  "0"  состояние  клапана  "закрыт".  Таким  образом,  для  модуля, 

содержащего  микроконтроллер,  будут  входными  четыре  сигнала  U1,U2,U3,U4  и  выходными  пять 

сигналов U5,U6,U7,U8,U9.  

В  связи  с  этим  рассмотрим  детально  наиболее  эффективный  вариант  реализации  этих  составных 

частей с учетом следующих требований: 

- управление портами ввода/вывода для переключения клапанов и анализа состояния кнопок; 

- управление АЦП для снятия измерений с 4 датчиков; 

- управление устройством вывода информации (дисплей); 

- управление резистивной сенсорной поверхностью дисплея; 

- организация прямого доступа к памяти (DMA) для сбора данных без нагрузки на ядро; 

- управление ЦАП для звуковой сигнализации; 

- управление таймерами для контроля времени работы, 

- управление внешними прерываниями EXTI для выхода из режима энергосбережения и обработки 

событий при нажатии кнопок . 

Для  реализации  заданных  функции  был  использован  объектно-ориентированный  язык 

программирования  высокого  уровня  C++.  Преимущество  данного  языка  перед  другими:  простота 

разработки,  наличие  стандартных  шаблонов  работы  с  периферией,  высокая  плотность  соотношения 

объем кода - функциональность. 

Для  разработки  проекта  была  выбрана  интегрированная  среда  разработки  IAR  Embedded 

Workbench фирмы IAR Systems. IAR универсально подходит для быстрой разработки сложных проектов 

для различных микроконтроллеров.   

Это  мощный,  но  вместе  с  тем  простой  и  очень  удобный  инструмент  программирования  для 

встраиваемых микропроцессорных устройств и систем. Интегрированная среда разработки IAR Embedded 

 

 

272 

workbench  является  профессиональной  средой  для  разработки  и  отладки  приложений  для 

микроконтроллеров.  

Основные преимущества пакета – дружественный пользовательский интерфейс и непревзойденная 

оптимизация генерируемого кода. Кроме этого реализована поддержка различных операционных систем 

реального времени и JTAG -адаптеров сторонних компаний. 

Программная среда включает в себя: 

1.  C/C++  компилятор  –  один  из  самых  эффективных  в  своем  роде.  В  нем  также  присутствует 

полная поддержка ANSI C. 

2. Транслятор ассемблера, включающий в себя макроассемблер для программ реального времени и 

препроцессор для C/C++компилятора. 

3.  Компоновщик,  поддерживающий  более  тридцати  различных  выходных  форматов  для 

совместного использования с внутрисхемными эмуляторами. 

4. Текстовый редактор, настроенный на синтаксис языка Си и имеющий удобный пользовательский 

интерфейс,  автоматическое  выделение  ошибок  программного  кода,  настраиваемую  инструментальную 

панель, подсветку блоков, а также удобную навигацию по именам подпрограмм, макросов и переменных. 

5.  Симулятор  и  отладчик  в  кодах  Си  и  ассемблера.  Отладчик  позволяет  просматривать  области 

EEPROM,  DATA,  CODE,  а  также  регистры  ввода/вывода,  устанавливать  точки  останова  и  аппаратные 

флаги,  обрабатывать  прерывания  с  предсказанием.  Кроме  этого  предусмотрен  контроль  стека  и  любых 

локальных  переменных,  режим  пошагового  выполнения  программы.  Тип  отладчика  и  его  настройки 

устанавливаются  в  свойствах  проекта.  Если  отладчик  отсутствует,  то  на  помощь  приходит  симулятор, 

который, однако, не имеет возможности эмулировать работу процессора. 

6. Менеджер проектов, облегчающий контроль и управление рабочими модулями. 

7. Дополнительные утилиты для работы с оптимизированной CLIB/DLIB библиотекой. 

Структура проекта разработанного в IAR.  

Проект MIORG имеет модульную структуру.  

Опишем  подробнее  шаги  по  созданию  проекта  в 

среде  IAR.  Чтобы  создать  проект  необходимо  во 

вкладке Project выбрать пункт "Create New Project...". В 

появившемся  окне  выбрать  С++  с  подпунктом  Main  и 

нажать OK, после чего выбрать путь где будет сохранен 

проект и ввести имя проекта (MIORG). Далее появится в 

окне  "Workspace"    название  нашего  проекта.  Выберем 

нажав второй кнопкой мыши вкладку "Options...". После 

этого  откроется  вкладка  с  опциями  проекта,  где 

необходимо 

выбрать 

используемый 

нами 

тип 

микроконтроллера 

STM32F429. 

Во 

вкладке 

"Preprocessor" 

необходимо 

прописать 

глобальные 

объявления для включения периферийных модулей. Во 

вкладке 

"Debugger" 

необходимо 

выбрать 

тип 

программатора,  в  нашем  случае  J-link  фирмы  Segger. 

Программирование будем производить через интерфейс 

SWD,  что  необходимо  отразить  во  вкладке  "J-Link/J-

Trace". После этого нажать "ОК". 

Далее  необходимо  создать  структуру  проекта 

добавив 

необходимые 

модули 

разбитые 

по 

функциональным  группам.  Разбиение  модулей  по 

группам  не  обязательно,  но  значительно  упрощает 

логику  структуры  проекта.  Для  создания  группы 

необходимо второй  кнопкой мыши нажать на рабочий 

проект во вкладке "Workspace" и выбрать вкладку Add-

>Add Group... 

Таким  образом  у  нам  должны  появиться  следующие  группы  EWARM,  STM32F429I, 

STM32F4xx_StdPeriph_Driver,  User.  Для  того,  что  бы  добавить  модули  стандартных  библиотек  необходимо 

второй  кнопкой мыши нажать на рабочий проект во вкладке "Workspace" и выбрать вкладку Add->Add Files...  

После  добавления  всех  модулей  и  создания  модуля  Main  получаем  следующий  вид  рабочего 

пространства проекта. 

 

 

жүктеу/скачать 35,33 Mb.

Достарыңызбен бөлісу: