8.1 Introducere

Hardware digital poate îndeplini o varietate de funcții într-un sistem mecatronic. Achiziția și procesarea semnalului, monitorizarea și controlul sistemului, comutarea și afișarea informațiilor sunt astfel de funcții. Funcțiile, acțiunile și sarcinile simple pot fi puse în aplicare folosind hardware digital logic fără programare. Să numim aceasta „implementare hardware”. Sarcini mecatronice mai complexe și variabile pot necesita dispozitive digitale programabile sau, într-un sens mai larg, computere digitale încorporate care sunt cunoscute ca microcontrollere. Să numim aceasta „implementarea software”. Desigur, implementarea software necesită, de asemenea, hardware digital logic și aspecte ale implementării hardware. Implementarea hardware are avantajele unei viteze mari, simplitate, dimensiuni mai mici și costuri reduse (în producția de masă). Insă, funcțiile sale sunt fixe și nu pot fi schimbate fără modificări hardware dificile. Prin urmare, îi lipsește „flexibilitatea”. Implementarea software oferă flexibilitate care vine cu programabilitate și capacitatea de a implementa sarcini foarte complexe. Însă, are dezavantajele vitezei relativ mici, dimensiunii mai mari și costurilor mai mari.

Dispozitivele digitale, în special computerele digitale, folosesc cifre (conform unor coduri) pentru a reprezenta informații și o anumită logică pentru a procesa astfel de informații. În logica binară (cu două stări), o variabilă poate lua una dintre cele două stări discrete: adevărat (T) sau fals (F). În sistemul de numere binar, fiecare cifră poate presupune doar una din două valori: 0 sau 1. Un dispozitiv digital ar trebui să proceseze atât cantități logice, cât și date numerice. Scopul unui circuit digital ar putea fi comutarea ON sau OFF a unui dispozitiv în funcție de anumite condiții logice; de exemplu, porniți sau opriți lumina într-o cameră, în funcție de existența sau nu de oameni în ea. O astfel de implementare se poate face folosind circuite logice, care efectuează operații logice. În altă aplicație, un circuit digital ar trebui să efectueze calcule numerice pe un semnal măsurat (disponibil în formă digitală) și apoi să genereze un semnal de control (în formă digitală). Un dispozitiv digital poate îndeplini astfel de funcții numerice, folosind sistem de numere binar în care fiecare cifră poate presupune una dintre cele două valori: 0 sau 1. Deoarece starea logică a fiecărei linii de ieșire a unui circuit digital corespunde cu 0 sau 1 binar, o combinație de mai multe linii de ieșire poate forma o ieșire numerică (în formă binară). Este convenabil să folosiți sistemul de numere binare în dispozitive digitale, nu numai pentru că variabilele logice și variabilele numerice pot fi procesate în aceeași manieră, ci și deoarece componentele care pot presupune una dintre cele două stări pot fi utilizate ca blocuri de construcție pentru circuitele digitale. Astfel de dispozitive cu 2 stări sunt mult mai ușor de dezvoltat decât, de exemplu, dispozitivele cu 10 stări bazate pe sistemul zecimal.

Un circuit digital convertește intrările digitale în ieșiri digitale. Există două tipuri de dispozitive logice, clasificate ca dispozitive logice combinaționale sau dispozitive logice secvențiale. Dispozitivele logice combinaționale sunt dispozitive statice în care intrările prezente determină complet (și unic) ieșirile prezente fără a utiliza informații anterioare (istoric) sau memorie. În schimb, ieșirea unui dispozitiv logic secvențial depinde de valorile anterioare ale intrărilor, precum și de valorile prezente. Cu alte cuvinte, acestea depind de secvența de timp a datelor de intrare și, prin urmare, ar fi nevoie de o formă de memorie.

Microcontrollerele sunt computere digitale în miniatură cu o funcționalitate oarecum limitată, care pot fi încorporate în diverse locații ale unui sistem mecatronic. Procesorul digital al unui microcontroller este un microprocesor. De exemplu, în controlul digital al unui sistem mecatronic, unul sau mai multe microcontrollere pot servi drept controller. Ele vor folosi comenzi externe de intrare împreună cu răspunsuri măsurate ale sistemului pentru a genera semnale de control adecvate. Aceste semnale de control sunt utilizate pentru a acționa sistemul mecatronic. Ca controller sunt utilizate unul sau mai multe microprocesoare, hardware suplimentar (memorie, stocare, intrare/ieșire etc.) și capacitate software. Acest capitol introduce hardware și microcontrolere pentru logică digitală.

8.2 Sisteme și coduri de numere