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 виміру по
порівнянні з механічними та електромеханічними засобами вимірювання всі ці та
багато інших переваг роблю цю систему перспективною в розвитку і в
подальше використання в багатьох галузях виробництва.
Розвиток мікроелектроніки та широке застосування її виробів в промисловому
виробництві, в пристроях і системах управління найрізноманітнішими
об'єктами і процесами є в даний час одним з основних напрямків
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
модифікуються, 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
системи 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 і
первинної обробки інформації надходить з чотирьох датчиків тиску і датчика
контролю за тиском.
Основні характеристики: Кількість каналів підключення датчиків давленія4
Кількість лінійних датчиків
статична характеристика
діапазон вимірюваної тиску
власна похибка ізмеренія3
U (p) = a0p + b a0 = 0.1428 b =- 0.71
5 .. 50 КПа
0.1%
Кількість нелінійних датчиків
статична характеристика
діапазон вимірюваної тиску
власна похибка ізмеренія1
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 более0.5%
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 мА1
1
рівень ТТЛШ
рівень ТТЛШ
2.5
1.2
Режим вимірювання давленіяСтатіческій
Базова мікро-ЕВМ89С51 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 напруги 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 з
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 живлення мікро-ЕОМ 89С51 реалізує підпрограму ініціалізації (1.
ініціалізація УАПП, 2. встановлення 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-ій 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 входот 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 виведення з лінії 7 порту 1 і по позитивному переходу
цього імпульсу починається процес перетворення напругу в двійковий код,
яке надходить від датчика тиску - N. Після закінчення 5.9 MС (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
біта 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
припустимо: 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 завдання 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'ятий 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'ятий біт і 2 стоп-біта (одиниці). Надсилаєте
дев'ятого 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 в нього, наприклад, можна помістити значення біта Р з регістра PSW для
підвищення достовірності прийнятої інформації (контроль за паритетом). При
прийомі дев'ятий 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.Режім 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 дляработи 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
регістрі 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'ятого біт - контроль за паритетом, для підвищення достовірності приймається
інформації;
два степових біта - одиниці.
4.2 Вибір буфера RS-232
Обмін даними між ПК і мікро проводитиметься за
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
202EПараметрМінімальнийМаксімальнийЕдініца вимірювання
Напруга пітанія4.5 5.5 В
Нижній вхідний лог. порог0.8В
Високий вхідний лог. порог2.4В
RS-232 приймач
Вхідна припустиме напр.-30 +30 В
Вхідний нижній парог0.4 В
Вхідний високий парог 2.4В
RS-232 передавач
Вихідний розмах напр .- 5 В
Сопр. Виходу передатчіка300 Ом
Температурний діапазон-40 +85