1. Introducere 

Dispozitivele logic programabile (PLD) sunt sisteme programabile și sunt utilizate în general în automatizarea producției pentru a îndeplini diferite funcții de control, în conformitate cu programele scrise în memoria sa, folosind limbaje de comenzi la nivel scăzut.

Există următoarele trei tipuri de PLD care sunt utilizate în sisteme mecatronice. 

1. Microprocesor

Este un circuit digital integrat care realizează funcții digitale necesare pentru procesarea informațiilor obținute de la sistemul de măsurare.

2. Microcomputer  

Utilizează microprocesorul ca unitate centrală de procesare și conține toate funcțiile unui computer. 

3. Controler logic programabil (PLC) 

Este utilizat pentru a controla funcționarea dispozitivelor electromecanice, în special în medii industriale dure și periculoase.

O mașină programabilă tipică are trei componente de bază, așa cum se arată în figura  3.1.1:

1. Procesor, care procesează informațiile colectate de la sistemul de măsurare și ia decizii logice pe baza informațiilor. Apoi trimite aceste informații către actuatoare sau dispozitive de ieșire. 

2. Memorie, ea stochează 

a. datele de intrare colectate de la senzori 

b. programele pentru procesarea informațiilor și luarea deciziilor sau acțiunilor necesare. Programul este un set de instrucțiuni scrise pentru ca procesorul să efectueze o sarcină. Un grup de programe se numește software. 

3. Dispozitive de intrare/ieșire: acestea sunt utilizate pentru a comunica cu lumea exterioară/operatorul. 

Figura 3.1.1 Componentele unui dispozitiv logic programabil 

2. Microprocesor 

Este un dispozitiv programabil, polivalent, care citește instrucțiunile binare de la un dispozitiv de stocare numit memorie, prelucrează datele în conformitate cu instrucțiunile și apoi oferă rezultate ca ieșire. În practica comună este cunoscut și sub denumirea de CPU (unitate de procesare centrală). CPU poate fi denumit motor complet de calcul pe un singur  cip. Primul Microcontroller, Intel 4004 a fost lansat în 1971. Acesta a fost capabil să proceseze doar 4 biți. El a pornit o nouă eră în inginerie electronică. Cipul microprocesor a fost una dintre cele mai importante invenții ale secolului 20. Tabelul 3.1.1 prezintă istoricul microprocesoarelor. 

Tabelul 3.1.1 Istoricul microprocesoarelor 

Aplicațiile microprocesoarelor sunt clasificate în principal în două categorii:

1. Sisteme reprogramabile: Micro-computere

2. Sisteme încorporate: mașină fotocopiere, aparat foto digital 

Microprocesorul operează în cifre binare, adică biți 0 și 1. Acești biți nu sunt decât tensiuni electrice în mașină, în general 0 - nivel de tensiune joasă și 1 - nivel de tensiune înaltă. Un grup de biți formează un „word-cuvânt”. În general, lungimea cuvântului este de aproximativ 8 biți. Aceasta se numește „byte-octet”. Un cuvânt cu o lungime de 4 biți este denumit „Nibble”. 

Microprocesorul procesează „comenzile în formă binară” pentru a îndeplini o sarcină. Acestea sunt numite „instrucțiuni”. Instrucțiunile sunt introduse în general prin dispozitive de intrare și pot fi stocate într-un dispozitiv de stocare numit memorie. 

Figura 3.1.2 Schema de configurare a unui microprocesor  

Figura 3.1.2 și 3.1.3 prezintă configurația și blocurile de bază ale unui microprocesor. Funcțiile fiecărui element sunt următoarele. 

Figura 3.1.3 Funcționarea unui microprocesor 

1. ALU: ALU înseamnă Unitate Aritmetică Logică. După cum indică numele are două părți: 

a. Unitate aritmetică care este responsabilă pentru operațiuni matematice precum adunarea, scăderea, înmulțirea și împărțirea, 

b. Unitate logică care este dedicată să ia decizii logice ca: mai mare decât, mai mic de, egal cu, neegal cu etc. (Practic, operațiuni AND/OR/NOT)

2. Șir de Registre: Registrele sunt dispozitive de stocare mici, care sunt disponibile pentru CPU sau procesoare. Acestea acționează ca stocare temporară pentru prelucrarea datelor intermediare prin operații matematice sau logice. 

3. Control: Această parte a CPU este dedicată coordonării fluxului de date și a fluxului de semnal prin diferite tipuri de magistrale, adică Data Bus, Control Bus și Address Bus, etc. Acesta direcționează fluxul de date între CPU și dispozitive de stocare și I/O. 

4. Memorie: Există două tipuri diferite de segmente de memorie utilizate de CPU. Primul este ROM - Read Only Memory, în timp ce altul este R/W, care înseamnă Read and Write Memory sau Random Access Random (RAM).

a. ROM: Din această unitate de memorie, CPU poate doar citi datele stocate. Nu se pot face operațiuni de scriere în această parte a memoriei. Astfel, este folosit pentru a stoca programele care nu necesită modificări, cum ar fi Monitor Program sau  Keyboard driver etc. 

b. R/W: După cum indică numele, este opus lui ROM și utilizat atât pentru operațiunile de citire cât și de scriere. În general, programul și instrucțiunile utilizatorului sunt stocate în acest segment al unității de memorie. 

5. Dispozitive de intrare: dispozitivele de intrare sunt utilizate pentru a introduce date de intrare la microprocesor de la tastatură sau de la ADC care primește date de la senzori/sisteme de condiționare a semnalului. 

6. Dispozitive de ieșire: Aceste dispozitive afișează rezultatele/concluziile care provin de la ALU, fie în copie simplă (Monitor), fie în copie pe hârtie (imprimantă).   

2.1 Funcțiile microprocesorului 

Diferitele funcții ale microprocesorului sunt următoarele: 

• Microprocesorul efectuează o varietate de operații logice și matematice folosind ALU-ul său. 

• Controlează fluxul de date într-un sistem și, prin urmare, poate transfera date dintr-o locație în alta, pe baza instrucțiunilor oferite.  

• Un microprocesor poate lua deciziile necesare și poate sări la un nou set de instrucțiuni bazate pe acele decizii. 

2.2 Elementele microprocesorului 

Un microprocesor simplu constă în următoarele elemente de bază (a se vedea figura 3.1.3): 

• Data Bus -Magistrala de date: prin intermediul magistralei de date, datele circulă între

a. diverse unități de stocare 

b. ALU și unități de memorie

• Address Bus - magistrala de adrese: controlează fluxul de adrese de memorie între ALU și unitatea de memorie. 

• Liniile RD (citit) și WR (scriere) setează sau obțin locațiile adresate în memorie. 

• Clock Line - linia de ceas transferă secvența impulsului de tact către procesor. 

• Reset Line este utilizată pentru a reporni execuția și a reseta procesorul la zero. 

• Address Latch - blocarea adresei: este un registru care stochează adresele în memorie. 

• Program Counter - contor de program: este un registru care își poate incrementa valoarea cu 1 și păstrează înregistrarea numărului de instrucțiuni executate. Poate fi setat la zero atunci când este indicat.  

• Test Register - Registru de testare: este un registru care stochează date intermediare sau în proces ale operațiunilor ALU. De exemplu, este necesar să țineți „carry-transportul” în timp ce ALU efectuează operațiunea de „adunare”. De asemenea, stochează datele care pot fi accesate de decodorul de Instrucțiuni pentru a lua orice decizie. 

• 3-State Buffers - tampoane cu 3 stări. Un tampon tri-state poate trece la o a treia stare, în plus față de stările de 1 și 0.  

• Registrul de instrucțiuni și decodorul de instrucțiuni sunt responsabili de controlul operațiunilor tuturor celorlalte componente ale unui microprocesor.  

3. Microcomputer  

Microcomputerul este un sistem bazat pe microprocesor. Este un sistem de procesare a datelor care utilizează un microprocesor ca unitate centrală. Pe baza intrării, ia decizii. Aceste decizii sunt utilizate în continuare pentru a controla un sistem sau pentru a acționa o acțiune sau o operație.

3.1 Controler programabil bazat pe microprocesor 

Există următoarele linii de control prezente într-un microprocesor, care sunt utilizate pentru a comunica instrucțiuni și date cu decodorul de instrucțiuni. 

• Instruiți registrul A să blocheze valoarea curentă pe magistrala de date. 

• Instruiți registrul B să blocheze valoarea curentă pe magistrala de date. 

• Instruiți registrul C să blocheze valoarea curentă emisă de ALU. 

• Instruiți registrul contorului de programe pentru a bloca valoarea în prezent în magistrala de date. 

• Instruiți registrul de adrese ca să blocheze valoarea curentă pe magistrala de date. 

• Instruiți registrul de instrucțiuni să blocheze valoarea curentă pe magistrala de date. 

• Instruiți contorul de program să incrementeze. 

• Instruiți contorul de program pentru a reseta la zero. 

• Activați oricare dintre cele șase buffere tri-state (șase linii separate). 

• Instruiți ALU ce operație trebuie efectuată. 

• Instruiți registrul de testare să blocheze biții de test ALU. 

• Activați linia RD. 

      • Activați linia WR

Figura 3.1.4 Schema microcontrolerului. 

Este un sistem bazat pe microprocesor. Implementează funcțiile unui computer și ale unui controler pe un singur cip. În general, microcontrolerul este programat pentru o aplicație specifică și este dedicat unei funcții de control specifice. 

Microcontrolerele își găsesc aplicații în automobile, aeronave, electronice medicale și electrocasnice. Au dimensiuni mici și pot fi încorporate într-un sistem electromecanic fără a ocupa mult spațiu. Astfel putem avea un sistem cu funcțiile sale complet proiectate într-un cip. Dar, microcontrolerele au foarte puțină memorie programabilă pentru utilizatori. Diferite tipuri de cipuri microcontroler disponibile pe piață sunt: ​​Motorola  68HC11, Zilog Z8 și Intel MCS51 și seria 96.