Проектування системи збору даних

1. ВСТУП

В даний час проектування вимірювальних систем приділяється багато часу. Робиться великий акцент на застосування в цих системах електронно-цифрових приладів. Висока швидкість вимірювання параметрів, зручна форма представлення інформації, гнучкий інтерфейс, порівняно невелика похибка вимірювання в порівнянні з механічними та електромеханічними засобами вимірювання всі ці та багато інших переваг роблю цю систему перспективною в розвитку і в подальшому використанні в багатьох галузях виробництва.

Розвиток мікроелектроніки та широке застосування її виробів в промисловому виробництві, у пристроях і системах управління найрізноманітнішими об'єктами і процесами є в даний час одним з основних напрямів науково-технічного прогресу.

Використання мікроконтролерів у виробах не тільки приводить до підвищення техніко-економічних показників (надійності, споживаної потужності, габаритних розмірів), але і дозволяє скоротити час розробки виробів і робить їх модифікується, адаптивними, а також дозволяє зменшити їх вартість. Використання мікроконтролерів в системах управління забезпечує досягнення високих показників ефективності при низькій вартості.

Системи збору даних в наші дні зробили великий крок вперед і в щільну наблизилися до використання досконалих електронних технологій. Зараз, багато систем збору даних складаються з аналогового комутатора, підсилювача вибірки-зберігання, АЦП, стали розміщувати на одній інтегральної мікросхеми, що порівняно вплинуло на швидкість обробки даних, зручність у використанні, і звичайно ж на їх вартість.

2. ТЕХНІЧНЕ ЗАВДАННЯ

Потрібно спроектувати систему збору даних призначену для збору та первинної обробки інформації надходить з чотирьох датчиків тиску і датчика контролю за тиском.

Основні характеристики:

Кількість каналів підключення датчиків тиску

Кількість лінійних датчиків

статична характеристика

діапазон вимірюваного тиску

власна похибка вимірювання

U (p) = a0p + b a0 = 0.1428 b =- 0.71

5 .. 50 КПа

0.1%

Кількість нелінійних датчиків

статична характеристика

діапазон вимірюваного тиску

власна похибка вимірювання

U (p) = a0p + a1p2 + a2p3 + b a0 = 0.998, a1 = 0.003 a2 =- 0.001 b =- 2.5

0.01 .. 5 МПа

0.1%

Максимальна похибка одного каналу не більше

0.5%

Кількість розв'язаних оптоізолірованних входів для підключення датчика контролю за тиском

Активний рівень

Вихідна напруга логічного нуля

Вихідна напруга логічної одиниці

Максимальний вихідний струм

логічного нуля мА

логічної одиниці мА

рівень ТТЛШ

2.5

1.2

Режим вимірювання тиску

Статичний

Базова мікро-ЕОМ

89С51 фірми Atmel

3. Розробка структурних схем. Узагальнений алгоритм РОБОТИ

Структурна схема системи збору даних представлена на рис.1

Узагальнена структурна схема системи збору даних.

ДД1, ДД2, ДД3 - лінійні датчики тиску,

ДД4-нелінійний датчик тиску,

ДКД1, ДКД2 - датчики контролю за тиском

AD7890 - АЦП, УВХ, ИОН, аналоговий комутатор,

98С51 - мікро-ЕОМ,

WDT-сторожовий таймер.

Малюнок 1.

Датчики тиску перетворюють виміряний тиск в електричний сигнал.

нормуючий підсилювачі перетворюють вихідну напругу з датчиків тиску до вхідного напруження АЦП.

AD7890 (далі АЦП) служить для того щоб, перемикати потрібний канал комутатора, перетворити аналогову величину напруги в відповідний їй двійковий цифровий код.

однокристальна мікро-ЕОМ призначена для того, щоб:

здійснювати розрахунок - Р (код) за відомою статичної характеристики датчика тиску;

передавати розраховане тиск з послідовного інтерфейсу RS-232 в ПК.

Буфер послідовного інтерфейсу RS-232 введено в схему, для того, щоб перетворювати логічні рівні між ПК і мікро-ЕОМ та мікро-ЕОМ і ПК.

Т.К. робота системи здійснюється в автономному режимі і вона не передбачена для роботи з оператором, то до складу системи додатково вводиться інтегральна мікросхема сторожового таймера, призначена для виведення мікро-ЕОМ зі стану зависання і її скидання при включенні харчування.

Тимчасова діаграма роботи сторожового таймера представлена на аркуші 2 графічної частини.

Блок схема узагальненого алгоритму роботи представлена в додатку 4.

При включенні харчування мікро-ЕОМ 89С51 реалізує підпрограму ініціалізації (1. ініціалізація УАПП, 2. установка пріоритету переривань, 7. дозвіл переривань). За запитом від ПК "Вважати виміряний тиск з датчика N" (де N - номер датчика тиску), МП послідовно видає з лінії 1 порту 1 (Р1.1), байт даних (у якому 1-ий, 2-ий і 3 -- ий біти вказують на вибір каналу мультиплексора) на вхід АЦП - DATA IN. Прийом кожного біта цього байти відбувається по фронту імпульсів сигналу що надходить на вхід SCLK від МП з лінії 2 порту 1 (Р 1.2). Передача цього байти стробіруется сигналом (низький рівень), що надходить на вхід від МП з лінії 4 порту 1 (див. графічну частину лист 2) Прийнявши байт інформації АЦП виробляє перемикання потрібного каналу. Після цього МП видає негативний імпульс на висновок з лінії 7 порту 1 і по позитивному переходу цього імпульсу починається процес перетворення напругу в двійковий код, що надходить від датчика тиску - N. Після закінчення 5.9 m с (час перетворення) АЦП готовий до послідовної передачі отриманого 12-ти розрядного двійкового коду. Процес передачі даних від АЦП до МП проводиться при стробування сигналу (низький рівень), що поступає з лінії 5 порту 1 на висновок (див. графічну частину лист 2). Формат посилки складається з 15-ти біт (перші три біти несуть за собою номер включеного поточного каналу, а інші 12 біт двійковий код). Прийнявши двійковий код, МП шляхом математичних обчислень (див. п.5) знаходить залежність Р (код) і посилає в ПК по послідовному інтерфейсу RS-232 отримане значення тиску P. На цьому цикл роботи системи закінчується.

4. РОЗРОБКА І РОЗРАХУНОК ЕЛЕМЕНТІВ Принципова електрична схема

4.1 Вибір мікропроцесорного комплекту

У відповідності із завданням ядром системи послужила однокристальна мікро-ЕОМ 89С51 фірми Atmel.

Основні характеристики однокристальної мікро-ЕОМ 89С51:

• Сумісна з однокристальної мікро-ЕОМ серії MCS-51

• 4Kb ре-програмованої флеш пам'яті

допустимо: 1000 циклів Записи/стирання

• Робочий діапазон частоти синхронізації: від 0 Гц до 24 МГц

• 128 x 8-біт вбудованого ОЗУ

• 32 програмованих I/O лінії

• Два 16-розрядних таймер/лічильника

• Сім джерел зовнішніх переривань

• Програмований УАПП

• Можливість включення режиму зниженого енергоспоживання

4.1.1 Апаратне пару ПК і мікроконтролера

Для вирішення задачі сполучення ПК і мікроконтролера було вирішено використовувати інтерфейс RS-232C.

Послідовний порт використовується як універсального асинхронного прийомопередатчика (УАПП) з фіксованою або змінною швидкістю послідовного обміну інформацією і можливістю дуплексного включення.

Послідовний інтерфейс мікроконтролера МК-51 може працювати в наступних чотирьох режимах:

Режим 0. Інформація передається і приймається через вхід RxD приймача (висновок P3.0). Через вихід передавача TxD (висновок P3.1) видаються імпульси синхронізації, стробірующіе кожен передається або приймається біт інформації. Формат посилки - 8 біт. Частота прийому та передачі - тактова частота мікроконтролера.

Режим 1. Інформація передається через вихід передавача TxD, а приймається через вхід приймача RxD. Формат посилки - 10 біт: старт-біт (нуль), вісім біт даних, програмований дев'ятого біт і стоп-біт (одиниця). Частота прийому та передачі задається таймером/лічильником 1.

Режим 2. Інформація передається через вихід передавача TxD, а приймається через вхід приймача RxD. Формат посилки - 11 біт: старт-біт (нуль), вісім біт даних, програмований дев'ятого біт і 2 стоп-біта (одиниці). Надсилаєте дев'ятий біт даних приймає значення біта ТВ8 з реєстру спеціальних функцій SCON. Біт ТВ8 в регістрі SCON може бути програмно встановлений в "0" або в "1", або у нього, наприклад, можна помістити значення біта Р з регістра PSW для підвищення достовірності прийнятої інформації (контроль за паритетом). При прийомі дев'ятого біт даних прийнятої посилки надходить в біт RB8 регістра SCON. Частота прийому та передачі в режимі 2 задається програмно і може дорівнювати тактовою частотою мікроконтролера діленої на 32 або на 64.

Режим 3. Режим 3 повністю ідентичний режиму 2 за винятком частоти прийому та передачі, яка в режимі 3 задається таймером/лічильником 1.

Для реалізації обміну інформацією між ПК і мікро найбільш зручним є режим 2, тому що для роботи в цьому режимі не потрібно таймер/лічильник. Цей режим повністю задовольняє висунутим вимогам.

4.1.2 Вибір кварцового резонатора

Для роботи МП необхідний кварцовий резонатор який підключається до висновків XTAL1 і XTAL2 (див. графічну частину курсового проекту, лист 1)

Робоча частота кварцового резонатора безпосередньо пов'язана зі швидкістю роботи УАПП, ми обираємо з п.1 fрез = 11.059 МГц

4.1.3 Вибір швидкості прийому/передачі по RS-232

Швидкість прийому/передачі, тобто частота роботи універсального асинхронного прийомопередатчика (УАПП) в режимі 2 залежить від значення керуючого біта SMOD в реєстрі спеціальних функцій.

Частота передачі визначається виразом:

f = (2SMOD/64) fрез.

Іншими словами, при SMOD = 0 частота передачі дорівнює (1/64) fрез, а при SMOD = 1 дорівнює (1/32) fрез.

Виходячи з вищевикладеного, виберемо частоту прийому даних при SMOD = 1. Якщо fрез = 11,059 МГц, тоді частота прийому даних буде 19,2 КБод.

Інші значення частот кварцу можуть бути обрані з таблиць в п.1 та п.2.

4.1.4 Розробка формату прийнятих і переданих даних по RS-232

Формат прийнятих і переданих даних майже повністю описаний режимом 2 роботи послідовного інтерфейсу.

Формат повинен складатися з 11 біт:

стартовий біт - нуль;

вісім біт даних;

дев'ятий біт - контроль за паритетом, для підвищення достовірності прийнятої інформації;

два степових біта - одиниці.

4.2 Вибір буфера RS-232

Обмін даними між ПК і мікро контролером буде проводитися з послідовного інтерфейсу RS-232. Оскільки стандартний рівень сигналів RS-232 - -12 В і 12 В, а стандартний рівень сигналів асинхронного інтерфейсу мікроконтролера 89С51 - +5 В необхідно забезпечити узгодження рівнів між RS-232 і 89С51. Перетворення напруги вироблятиме цифрова інтегральна мікросхема ADM 202E. Вибір даної мікросхеми був зроблений виходячи з ТЗ (технічне завдання). Основні характеристики цифрової інтегральної мікросхеми ADM 202E наведено в табл. 3.

Таблиця 3.

Основні характеристики цифрової інтегральної мікросхеми ADM 202E

Параметр

Мінімальний

Максимальний

Одиниця виміру

Напруга живлення

4.5

5.5

Нижній вхідний лог. поріг

0.8

Високий вхідний лог. поріг

2.4

RS-232 приймач

Вхідна припустиме напр.

-30

Вхідний нижній парог

0.4

Вхідний високий парог

2.4

RS-232 передавач

Вихідний розмах напр.

- 5

СОПР. Виходу передавача

300

Ом

Температурний діапазон

-40