Проектирование системы сбора данных

ФИЛИАЛ МОСКОВСКОЙ ГОСУДАРСТВЕННОЙ АКАДЕМИИ ПРИБОРОСТРОЕНИЯ И ИНФОРМАТИКИ

В Г. УГЛИЧ

Кафедра «ТОЧНЫЕ ПРРИБОРЫ И ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЕ СИСТЕМЫ»

КУРСОВОЙ ПРОЕКТ

по дисциплине

«Микропроцессорная измерительная техника»

на тему : «Проектирование системы сбора данных»

|Студент Алещенко Д. А. |Шифр 96207 |

|Вариант 1 |преподаватель Канаев С.А. |

|Подпись студента |Подпись преподавателя |

| | |

|Дата 2.06.2000 |Дата |

г. Углич 2000 г.

СОДЕРЖАНИЕ

|1. ВВЕДЕНИЕ |3 |

|2. ТЕХНИЧЕСКОЕ ЗАДАНИЕ |4 |

|3. РАЗРАБОТКА СТРУКТУРНОЙ СХЕМЫ. ОБОБЩЕННЫЙ АЛГОРИТМ РАБОТЫ |5 |

|4. РАЗРАБОТКА И РАСЧЕТ ЭЛЕМЕНТОВ ПРИНЦИПИАЛЬНОЙ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ СХЕМЫ |7 |

|4.1 Выбор микропроцессорного комплекта | |

|4.1.1 Аппаратное сопряжение ПК и микроконтроллера |7 |

|4.1.2 Выбор кварцевого резонатора |7 |

|4.1.3 Выбор скорости приема/передачи по RS-232 |8 |

|4.1.4 Разработка формата принимаемых и передаваемых данных по RS-232 |8 |

|4.2 Выбор буфера RS-232………………………………………………………………. |9 |

|4.3 Выбор АЦП. |9 |

|4.3.1 Расчет погрешности вносимой АЦП. |10 |

|4.4 Выбор сторожевого таймера. |11 |

|4.5 Выбор интегральной микросхемы операционного усилителя |12 |

|4.5.1 Расчет погрешностей от нормирующего усилителя |12 |

|4.6 Выбор и расчет внешних элементов гальванической развязки |14 |

| |16 |

|5. АПРОКСИМАЦИЯ СТАТИЧЕСКОЙ ХАРАКТЕРИСТИКИ НЕЛИНЕЙНОГО ДАТЧИКА |18 |

|5.1 Оценка погрешности от аппроксимации | |

| |19 |

|6. ВЫБОР ФОРМАТА ДАННЫХ |20 |

|6.1 Оценка погрешности от перевода коэффициентов |20 |

|7. ОЦЕНКА ПОГРЕШНОСТЕЙ |21 |

|8. РАСЧЕТ ПОТРЕБЛЯЕМОЙ МОШНОСТИ ОСНОВНЫМИ ЭЛЕМЕНТАМИ СХЕМЫ | |

| |22 |

|ПРИЛОЖЕНИЯ | |

|Приложение 1 |23 |

|Приложение 2 |24 |

|Приложение 3 |25 |

|Приложение 4 |26 |

|Приложение 5 |27 |

|СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ |34 |

1. ВВЕДЕНИЕ

В настоящее время проектированию измерительных систем уделяется много

времени. Делается большой акцент на применение в этих системах электронно-

цифровых приборов. Высокая скорость измерения параметров, удобная форма

представления информации, гибкий интерфейс, сравнительно небольшая

погрешность измерения по сравнению с механическими и электромеханическими

средствами измерения все эти и многие другие преимущества делаю данную

систему перспективной в развитии и в дальнейшем использовании во многих

отраслях производства.

Развитие микроэлектроники и широкое применение ее изделий в промышленном

производстве, в устройствах и системах управления самыми разнообразными

объектами и процессами является в настоящее время одним из основных

направлений научно-технического прогресса.

Использование микроконтроллеров в изделиях не только приводит к повышению

технико-экономических показателей (надежности, потребляемой мощности,

габаритных размеров), но и позволяет сократить время разработки изделий и

делает их модифицируемыми, адаптивными, а также позволяет уменьшить их

стоимость. Использование микроконтроллеров в системах управления

обеспечивает достижение высоких показателей эффективности при низкой

стоимости.

Системы сбора данных в наши дни сделали большой шаг в вперед и в плотную

приблизились к использованию совершенных электронных технологий. Сейчас,

многие системы сбора данных состоящие из аналогового коммутатора, усилителя

выборки-хранения, АЦП, стали размещать на одной интегральной микросхеме,

что сравнительно повлияло на скорость обработки данных, удобство в

использовании, и конечно же на их стоимость.

2. ТЕХНИЧЕСКОЕ ЗАДАНИЕ

Требуется спроектировать систему сбора данных предназначенную для сбора и

первичной обработки информации поступающей с четырех датчиков давления и

датчика контроля за давлением.

Основные характеристики:

|Количество каналов подключения датчиков |4 |

|давления | |

|Количество линейных датчиков |3 |

|статическая характеристика |U(p)=a0p+b a0=0.1428 |

|диапазон измеряемого давления |b=-0.71 |

|собственная погрешность измерения |5..50 КПа |

| |0.1% |

|Количество нелинейных датчиков |1 |

|статическая характеристика |U(p)=a0p+a1p2+a2p3+b |

| |a0=0.998, a1=0.003 |

|диапазон измеряемого давления |a2=-0.001 b=-2.5 |

|собственная погрешность измерения |0.01..5 Мпа |

| |0.1% |

|Максимальная погрешность одного канала не |0.5% |

|более | |

|Количество развязанных оптоизолированных | |

|входов для подключения датчика контроля за |1 |

|давлением |1 |

|Активный уровень |уровень ТТЛШ |

|Выходное напряжение логического нуля |уровень ТТЛШ |

|Выходное напряжение логической единицы | |

|Максимальный выходной ток |2.5 |

|логического нуля мА |1.2 |

|логической единицы мА | |

|Режим измерения давления |Статический |

|Базовая микро-ЭВМ |89С51 фирмы Atmel |

3. РАЗРАБОТКА СТРУКТУРНОЙ СХЕМЫ. ОБОБЩЕННЫЙ АЛГОРИТМ РАБОТЫ

Структурная схема системы сбора данных представлена на рис.1

Обобщенная структурная схема системы сбора данных.

[pic]

ДД1,ДД2,ДД3 – линейные датчики давления,

ДД4- нелинейный датчик давления,

ДКД1, ДКД2 – датчики контроля за давлением

AD7890 – АЦП, УВХ, ИОН, аналоговый коммутатор,

98С51 – микро-ЭВМ,

WDT –сторожевой таймер.

Рисунок 1.

Датчики давления преобразовывают измеренное давление в электрический

сигнал.

Нормирующие усилители преобразовывают выходное напряжение с датчиков

давления к входному напряжению АЦП.

AD7890 (далее АЦП) служит для того чтобы, переключать требуемый канал

коммутатора, преобразовать аналоговую величину напряжения в соответствующий

ей двоичный цифровой код.

Однокристальная микро-ЭВМ предназначена для того чтобы:

. производить расчет - Р(код) по известной статической характеристике

датчика давления;

. передавать рассчитанное давление по последовательному интерфейсу RS-232 в

ПК.

Буфер последовательного интерфейса RS-232 введен в схему, для того чтобы

преобразовывать логические уровни между ПК и микро-ЭВМ и микро-ЭВМ и ПК.

Т.К. работа системы производится в автономном режиме и она не

предусмотрена для работы с оператором, то в состав системы дополнительно

вводится интегральная микросхема сторожевого таймера, предназначенная для

вывода микро-ЭВМ из состояния зависания и ее сбросе при включении питания.

Временная диаграмма работы сторожевого таймера представлена на листе 2

графической части.

Блок схема обобщенного алгоритма работы представлена в приложении 4.

При включении питания микро-ЭВМ 89С51 реализует подпрограмму

инициализации (1. инициализация УАПП, 2. установка приоритета прерываний,

7. разрешение прерываний). По запросу от ПК «Считать измеренное давление с

датчика N» (где N – номер датчика давления), МП последовательно выдает с

линии 1 порта 1(Р1.1), байт данных (в котором 1-ый, 2-ой и 3-ий биты

указывают на выбор канала мультиплексора) на вход АЦП — DATA IN. Прием

каждого бита этого байта происходит по фронту импульсов сигнала

поступающего на вход SCLK от МП с линии 2 порта 1 (Р 1.2). Передача этого

байта стробируется сигналом (низкий уровень), поступающего на вход [pic] от

МП с линии 4 порта 1 (см. графическую часть лист 2) Приняв байт информации

АЦП производит переключение требуемого канала. После этого МП выдает

отрицательный импульс на вывод [pic]с линии 7 порта 1 и по положительному

переходу этого импульса начинается процесс преобразования напряжение в

двоичный код, которое поступает от датчика давления – N. По истечении 5.9

(с (время преобразования ) АЦП готов к последовательной передачи

полученного 12-ти разрядного двоичного кода. Процесс передачи данных от АЦП

к МП производится при стробировании сигнала (низкий уровень), поступающего

с линии 5 порта 1 на вывод [pic](см. графическую часть лист 2). Формат

посылки состоит из 15-ти бит (первые три бита несут за собой номер

включенного текущего канала, а остальные 12 бит двоичный код ). Приняв

двоичный код, МП путем математических вычислений(см. п.5) находит

зависимость Р(код) и посылает в ПК по последовательному интерфейсу RS-232

полученное значение давления P. На этом цикл работы системы заканчивается.

4. РАЗРАБОТКА И РАСЧЕТ ЭЛЕМЕНТОВ ПРИНЦИПИАЛЬНОЙ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ СХЕМЫ

4.1 Выбор микропроцессорного комплекта

В соответствии с заданием ядром системы послужила однокристальная микро-

ЭВМ 89С51 фирмы Atmel.

Основные характеристики однокристальной микро-ЭВМ 89С51:

• Совместима с однокристальной микро-ЭВМ серии MCS-51™

• 4Kb ре-программируемой флешь памяти

- допустимо: 1000 циклов Записи/Стирания

• Рабочий диапазон частоты синхронизации : от 0 Гц до 24 МГц

• 128 x 8-бит встроенного ОЗУ

• 32 программируемых I/O линии

• Два 16-разрядных таймер/счетчика

• Семь источников внешних прерываний

• Программируемый УАПП

• Возможность включения режима пониженного энергопотребления

4.1.1 Аппаратное сопряжение ПК и микроконтроллера

Для решения задачи сопряжения ПК и микроконтроллера было решено

использовать интерфейс RS-232C.

Последовательный порт используется в качестве универсального асинхронного

приемопередатчика (УАПП) с фиксированной или переменной скоростью

последовательного обмена информацией и возможностью дуплексного включения.

Последовательный интерфейс микроконтроллера МК-51 может работать в

следующих четырех режимах:

. Режим 0. Информация передается и принимается через вход RxD приемника

(вывод P3.0). Через выход передатчика TxD (вывод P3.1) выдаются импульсы

синхронизации, стробирующие каждый передаваемый или принимаемый бит

информации. Формат посылки – 8 бит. Частота приема и передачи – тактовая

частота микроконтроллера.

. Режим 1. Информация передается через выход передатчика TxD, а принимается

через вход приемника RxD. Формат посылки – 10 бит: старт-бит (ноль),

восемь бит данных, программируемый девятый бит и стоп-бит (единица).

Частота приема и передачи задается таймером/счетчиком 1.

. Режим 2. Информация передается через выход передатчика TxD, а принимается

через вход приемника RxD. Формат посылки – 11 бит: старт-бит (ноль),

восемь бит данных, программируемый девятый бит и 2 стоп-бита (единицы).

Передаваемый девятый бит данных принимает значение бита ТВ8 из регистра

специальных функций SCON. Бит ТВ8 в регистре SCON может быть программно

установлен в «0» или в «1», или в него, к примеру, можно поместить

значение бита Р из регистра PSW для повышения достоверности принимаемой

информации (контроль по паритету). При приеме девятый бит данных принятой

посылки поступает в бит RB8 регистра SCON. Частота приема и передачи в

режиме 2 задается программно и может быть равна тактовой частоте

микроконтроллера деленной на 32 или на 64.

. Режим 3. Режим 3 полностью идентичен режиму 2 за исключением частоты

приема и передачи, которая в режиме 3 задается таймером/счетчиком 1.

Для реализации обмена информацией между ПК и микроконтроллером наиболее

удобным является режим 2, т.к. для работы в этом режиме не требуется

таймер/счетчик. Этот режим полностью удовлетворяет предъявленным

требованиям.

4.1.2 Выбор кварцевого резонатора

Для работы МП необходим кварцевый резонатор который подключается к

выводам XTAL1 и XTAL2 (см. графическую часть курсового проекта, лист 1)

Рабочая частота кварцевого резонатора непосредственно связана со скоростью

работы УАПП, мы выбираем из п.1 fрез=11.059 МГц

4.1.3 Выбор скорости приема/передачи по RS-232

Скорость приема/передачи, т.е. частота работы универсального асинхронного

приемопередатчика (УАПП) в режиме 2 зависит от значения управляющего бита

SMOD в регистре специальных функций.

Частота передачи определяется выражением:

f=(2SMOD/64)fрез.

Иными словами, при SMOD=0 частота передачи равна (1/64)fрез, а при SMOD=1

равна (1/32)fрез.

Исходя из вышеизложенного, выберем частоту приема данных при SMOD=1. Если

fрез=11,059 МГц, тогда частота приема данных будет 19,2 КБод.

Другие значения частот кварца могут быть выбраны из таблиц в п.1 и п.2.

4.1.4 Разработка формата принимаемых и передаваемых данных по RS-232

Формат принимаемых и передаваемых данных почти полностью описан режимом 2

работы последовательного интерфейса.

Формат должен состоять из 11 бит:

. стартовый бит – ноль;

. восемь бит данных;

. девятый бит – контроль по паритету, для повышения достоверности

принимаемой информации;

. два стоповых бита – единицы.

4.2 Выбор буфера RS-232

Обмен данными между ПК и микроконтроллером будет производиться по

последовательному интерфейсу RS-232. Т.к. стандартный уровень сигналов RS-

232 - -12 В и +12 В, а стандартный уровень сигналов асинхронного интерфейса

микроконтроллера 89С51 – +5 В необходимо обеспечить согласование уровней

между RS-232 и 89С51. Преобразование напряжения будет производить цифровая

интегральная микросхема ADM 202E. Выбор данной микросхемы был произведен

исходя из ТЗ (техническое задание). Основные характеристики цифровой

интегральной микросхемы ADM 202E приведены в табл. 3.

Таблица 3.

Основные характеристики цифровой интегральной микросхемы ADM 202E

|Напряжение питания |4.5 |5.5 |В |

|Нижний входной лог. | |0.8 |В |

|Высокий входной лог.|2.4 | |В |

|Входное допустимое |-30 |+30 |В |

|Входной нижний парог|0.4 | |В |

|Входной высокий | |2.4 |В |

| | |Продолжение таблицы 3 |

|Выходной размах |-+5 | |В |

|Сопр. Выхода |300 | |Ом |

|Температурный |-40 |+85 |°C |

Функциональная блок-схема интегральной микросхемы ADM 202E представлена

на рис.2

Функциональная блок-схема интегральной микросхемы ADM 202E

[pic]

Рисунок. 2

4.3 Выбор АЦП.

В качестве аналого-цифрового преобразователя послужила интегральная

микросхема фирмы Analog Devices – AD7890-2. Выбор данной микросхемы был

произведен исходя из ТЗ

Основные характеристики:

• 12-разрядный АЦП, время преобразования 5.9 мкс

• Восемь входных аналоговых каналов

• Входной диапазон :

от 0 В до +2.5 В

• Раздельный доступ к мультиплексору и к АЦП

• Встроенный источник опорного напряжения +2.5 В (возможно подключение

внешнего.)

• Высокая скорость, «гибкость», последовательный интерфейс

• Низкая потребляемая мощность (50 мВт максимум)

• Режим пониженного энергопотребления (75 мкВт).

Функциональная блок-схема интегральной микросхемы AD 7890-2 представлена

на рис.3

Функциональная блок-схема интегральной микросхемы AD 7890-2

[pic]

Рисунок 3

4.3.1 Расчет погрешности вносимой АЦП.

Аналого-цифровой преобразователь вносит следующие виды погрешностей:

. нелинейности (погрешность нелинейности- это максимальное отклонение

линеаризованной реальной характеристики преобразования от прямой линии,

проходящей через крайние точки этой характеристики преобразования АЦП.);

. дифференциальной нелинейности(погрешность дифференциальной нелинейности-

это отклонение фактической разности уровней (входного сигнала АЦП),

соответствующим двум соседним переключениям кода, от идеального значения

этой разности, равной 1 МЗР. Для идеального АЦП разница уровней между

соседними переключениями кода в точности равна 1 МЗР.);

. погрешность полной шкалы (погрешность полной шкалы- это отклонение уровня

входного сигнала, соответствующего последнему переключению кода от

идеального значения, после того как была откорректирована погрешность

биполярного нуля.);

В табл. 4 приведены погрешности взятые из каталога, на интегральную

микросхему AD7890 фирмы Analog Devices

Таблица 4

Основный погрешности интегральной микросхемы AD7890

|Вид погрешности |Значение |% |

|Интегральная нелинейность |(1 МЗР |0.0244 |

|Дифференциальная |(1 МЗР |0.0244 |

|нелинейность | | |

|Полной шкалы |(2.5 МЗР |0.061 |

|Общая ((АЦП) | |0,1098 |

4.4 Выбор сторожевого таймера.

Т.к. работа системы происходит в автономном режиме и не предусматривает

работу оператора с ней, то для случая зависания микро-ЭВМ в схему системы

сбора данных добавляется интегральная микросхема MAX690AMJA – сторожевой

таймер. Выполняющая две основные функции: выведение МП из состояния

зависания и сброс МП при включении питания.

Основные характеристики интегральной микросхемы МАХ690AMJA:

• Время сброса: 200 мС

• Рабочий диапазон напряжения питания: от 1 до 5.5 В

• Ток потребления: 200 мкА

• температурный диапазон эксплуатации: от –55 до +125 °C.

4.5 Выбор интегральной микросхемы операционного усилителя

Нормирующий усилитель выполнен на аналоговой микросхеме OP-27А

(операционный усилитель), исполненной в восьми контактном DIP-корпусе.

Основные хар-ки операционного усилителя OP-27A приведены в табл.5.

Таблица 5

Основные характеристики аналоговой микросхемы ОР-27А

| |V+ |V- |

|Напряжение питания (UПИТ)В: | | |

| |22 |-22 |

|Напряжение смещения (UСМ)мкВ: |25 макс. |

|Ток смешения (IСМ)нА |±40 макс. |

|Ток сдвига (IСДВ)нА |35 макс. |

|Коэффициент озлобления синфазного | |

|сигнала (КООС) |501190 макс. (144 Дб) |

|Коэффициент усиления при разомкнутой |1800000 |

|обратной связи | |

В систему сбора данных входят три линейных и один нелинейный датчики

давления. Выходной диапазон напряжения нелинейного датчика давления

составляет -2.5..+2.5, в входной диапазон АЦП – 0..+2.5. Согласовать уровни

напряжения выхода датчика давления и входа АЦП можно с помощью схемы

представленной на рис. 4. Данная схема состоит из: операционного усилителя

– DA1, повторителя напряжения – DA2, схемы смещения – R1 и R2, схемы защиты

– VD1 и VD2.. Для того чтобы не нагружать источник опорного напряжения[1] в

состав схемы нормирующего усилителя вводится повторитель напряжения. Данная

схема вносит в ССД погрешность.

Нормирующий усилитель

[pic]

R1,R2 – 40 КОм,

R3 – 20 КОм.

VD1, VD2 – схема защиты

Рисунок 4

4.5.1 Расчет погрешностей нормирующего усилителя

Суммарная погрешность нормирующего усилителя складывается из погрешности

напряжения смещения ((Uсм), погрешности тока сдвига ((Iсдв), погрешности

обратного тока диодов (В схеме защиты используются диоды марки 1N914A с

обратным током утечки IД ОБР.=25 нА. Рассмотрим худший случай, когда IД

ОБР.== 2*IД ОБР.) ((Iд обр.), погрешности КООС ((КООС), погрешности

разброса параметров сопротивлений от номинального значения ((R1 R2 MAX).

Оценка погрешности от напряжения смещения ((Uсм)

(Uсм= Uсм*Ку

где Ку – коэффициент усиления (в нашем случае Ку=1)

(Uсм=25 мкВ

(Uсм%=[pic]

(Uсм%=0.001 %

Оценка погрешности от обратного тока диодов ((Iд обр )

U+д= IД ОБР.*R2

U+д=0.002

(Iд обр= U+д*Ку

(Iд обр=2 мВ

(Iд обр%=[pic]

(Iд обр%=0.0016

Оценка погрешности от КООС ((КООС)

[pic],

где Кд – коэффициент усиления дифференциального сигнала (Кд=1);

КС – коэффициент усиления синфазного сигнала

КС=1/501190

КС=1.96*10-6

(КООС=UВХ СИН MAX*KC,

где UВХ СИН MAX – синфазное максимальное входное напряжение (UВХ СИН

MAX=2.5 В).

(КООС=2.5*1.996*10-6

(КООС=7.7 мкВ

(КООС%=[pic]

(КООС%=0.0003

Оценка погрешности от тока сдвига ((Iсдв)

U+=IСДВ*R2

где U+ - см. рис.4

U+= 0.7 мкВ

(Iсдв= U+*Ку

(Iсдв=0.7 мкВ

(Iсдв%=[pic]

(Iсдв%=0.00004%

Оценка погрешности вносимой разбросам сопротивлений R1 и R2 от их

номинального значения.

Для того чтобы уменьшить погрешность выбираем сопротивления с отклонениями

от номинального значения ± 0.05%

R1MIN= 39,996 Ом

R2MAX=40,004 Ом

Ток протекаемый через R1 и R2 будет

[pic]

И тогда общая погрешность нормирующего усилителя будет равна

(НУ=(((R1R1max+(Iсдв+(КООС+(Iд обр+(Uсм)/Ку)*100

[pic][pic]

|(НУ=0.0277778 % |(1) |

4.6 Выбор и расчет внешних элементов гальванической развязки

В качестве элементов гальванической развязки используется цифровая

микросхема 249ЛП5 - оптоэлектронный переключатель на основе диодных оптопар

выполненных в металлостеклянном корпусе. основные характеристики цифровой

микросхемы 249ЛП5 приведены в табл. 5.

Таблица 5

Основные характеристики цифровой микросхемы 249ЛП5

|Электрические параметры |

|Входное напряжение при IВХ=15 мА |не более 1.7 В |

|Выходное напряжение в состоянии логического |0.4 В |

|нуля | |

|Выходное напряжение в состоянии логической |2.4 |

|единицы | |

|Предельные эксплутационные данные |

|Входной постоянный ток |12 мА |

|Входной импульсный ток |15 мА |

|Напряжение питания |5((0.5) В |

|Диапазон рабочих температур |-60…+85 (С |

Принципиальная схема подключения элемента гальванической развязки в

соответствии с ТЗ приведена на рис. 5

Схема включения элемента гальваническ

Рефераты

Проектирование системы сбора данных

Проектирование системы сбора данных