Sistemi a microprocessore

(la videolezione) I sistemi programmabili sono il cuore della tecnologia moderna, consentendo a dispositivi e macchine di adattarsi ed eseguire compiti complessi. Esploreremo la loro struttura, concentrandoci sui processori, e poi applicheremo i concetti al campo del controllo automatico, esaminando i microcontrollori e i Controllori Logici Programmabili (PLC).

Un sistema a microprocessore è una macchina digitale il cui funzionamento si basa su un microprocessore, che funge da unità centrale di elaborazione (CPU). La CPU è il "cervello" del sistema e si occupa di eseguire le istruzioni di un programma. Tuttavia, non può lavorare da sola. Un sistema a microprocessore completo è costituito da tre componenti principali, tutti interconnessi tramite un bus di sistema, che agisce come un'autostrada per il trasferimento dei dati (architettura Von Neumann).

Microprocessore (MPU): L'unità di elaborazione. Contiene l'unità aritmetico-logica (ALU) per i calcoli matematici e logici, l'unità di controllo per dirigere il flusso delle istruzioni e i registri per la memorizzazione temporanea dei dati.

Memoria: Serve per memorizzare sia le istruzioni del programma da eseguire sia i dati su cui il programma opera. Esistono due tipi principali di memoria:

RAM (Random Access Memory): È una memoria volatile. Quando il sistema viene spento, il suo contenuto viene perso. È utilizzata per memorizzare il programma in esecuzione e i dati temporanei.

ROM (Read-Only Memory): È una memoria non volatile. Il suo contenuto rimane anche quando il sistema è spento. Spesso contiene il programma di avvio (firmware) necessario per avviare il sistema.

Periferiche di I/O (Input/Output): Queste interfacce permettono al microprocessore di comunicare con il mondo esterno. Possono essere dispositivi di input come tastiere e sensori, o dispositivi di output come schermi e attuatori.

Sistemi programmabili nel controllo automatico

Il controllo automatico è la scienza che si occupa di far funzionare un sistema (come una macchina, un robot o un processo industriale) in modo autonomo, senza l'intervento umano o con un minimo intervento umano. I sistemi programmabili sono fondamentali in questo campo perché offrono la flessibilità necessaria per gestire processi complessi e con funzionalità modificabili.

Un microcontrollore è un circuito integrato che racchiude in un unico chip un microprocessore, memoria (RAM. ROM e FLASH) e periferiche di I/O. A differenza di un sistema a microprocessore generico, che è progettato per un uso universale (come un computer), un microcontrollore è ottimizzato per compiti di controllo specifici, a basso consumo energetico e a costo ridotto.

I microcontrollori sono ormai onnipresenti. Li troviamo in: elettrodomestici (lavatrici, forni a microonde), dispositivi portatili, sistemi di automazione domestica, strumenti medici e automobili.

In ambito di controllo automatico, un microcontrollore legge i dati da sensori (input), li elabora in base a un programma predefinito e invia segnali a degli attuatori (output) per controllare il sistema. Ad esempio, in un termostato, un microcontrollore legge la temperatura da un sensore, la confronta con un valore impostato e accende o spegne il riscaldamento.

I Controllori Logici Programmabili (PLC), invece, sono computer industriali robusti e specializzati, progettati specificamente per il controllo dei processi di produzione. Sono un tipo di sistema a microprocessore, ma costruiti per operare in ambienti difficili, con elevata resistenza a vibrazioni, temperature estreme, polvere e rumore elettrico.

La caratteristica distintiva dei PLC è il loro linguaggio di programmazione, spesso basato su un'interfaccia grafica chiamata diagramma a scala (Ladder Logic), che simula la logica dei vecchi circuiti a relè. Questo linguaggio è intuitivo per gli elettrotecnici e i tecnici di manutenzione, abituati a ragionare in termini di contatti aperti e chiusi. I PLC eccellono nel controllo di: catene di montaggio robotizzate; macchinari di imballaggio; sistemi di automazione di fabbrica su larga scala

Mentre un microcontrollore è ideale per compiti singoli e stand-alone (come un dispositivo IoT), un PLC è la scelta preferita per sistemi di controllo industriali complessi, dove affidabilità, modularità (la capacità di aggiungere o rimuovere moduli di I/O) e la facilità di programmazione e manutenzione sono essenziali.