Разработка устройства регистрации сигналов с датчиков (стр. 1 из 3)
Нижегородский Государственный Технический Университет
Дисциплина «Аппаратно-программное обеспечение ВС»
Курсовой проект
Разработка устройства регистрации
сигналов с датчиков
Выполнил: ст. гр. 95-В-3 Межевой С.В.
Проверил : Саладаев Е.Н.
Нижний Новгород, 1999
Содержание
Дисциплина «Аппаратно-программное обеспечение ВС» 1
Величина сигнала датчика 4
2. Поведенческая модель устройства. 5
6.1. Основная блок-схема программы 14
6.2. Формат данных 15
6.2.1. Управляющее слово 15
6.3. Инициализация блоков микроконтроллера 16
6.4. Инициализация АЦП 18
6.5. Основная часть программы 19
6.6. Передача данных в ЭВМ 20
1. Техническое задание.
· Разработать устройство регистрации сигналов (УРС) с датчиков. в соответствии с заданием на курсовую работу. Проект должен закончиться принципиальной схемой УРС, описанием работы схемы, перечнем элементов.
· УРС – система реального времени, которое представляет собой периферийное устройство для ЭВМ. Оно должно снимать информацию с пьезодатчиков ускорения (ПДУ) и передавать ее в ЭВМ.
Остальные параметры устройства:
| Тип датчика | ПДУ |
| Контролируемый параметр | Скорость |
| Величина сигнала датчика | 0,4В |
| Импеданс датчика | 1,5 нФ |
| Диапазон частот сигнала датчика | 2 Гц-2 кГц |
| Количество сигналов | 16 |
| Количество диапазонов | 8 |
| Уровней контроля | 128 |
| Температурный диапазон эксплуатации | -100 – +400С |
| Допустимая погрешность | 2 % |
| Расстояние до компьютера | 20 м |
| Интерфейс | RS-232 |
2. Поведенческая модель устройства.
Рассмотрим модель устройства. По заданию наше устройство снимает информацию с ПДУ и постоянно передает данные в ЭВМ. Перед началом регистрации сигналов необходимо осуществить сброс УРС (автоматически или по специальной команде), а так же задать для каждого канала диапазон и уровень контроля. Что касается завершения работы устройства, то здесь возможны варианты:
· Перед началом работы задается необходимое количество отсчетов. Как только снято заданное количество, посылается прерывание и данные передаются на ЭВМ.
· Сигнал конца работы должен прийти во время работы устройства.
П
оскольку, нет точно заданного количества отсчетов то выбираем последний вариант. Так как сигнал конца работы может прийти во время работы УРС, которое в это время будет передавать свои данные, то связь УРС с компьютером должна быть двунаправленной, то есть на том и на другом конце системы УРС – ЭВМ должны быть независимые приемник и передатчик. Схема обмена будет выглядеть следующим образом (см. РИС 1.):
Таким образом схема взаимодействия ЭВМ с периферийным устройством довольно проста: пользователь, предварительно задав режим работы, инициирует работу УРС сигналом «Начать», после чего устройство начинает снимать и передавать информацию. В ЭВМ полученные данные анализируются. Когда передачу данных требуется остановить, то пользователь передает на устройство сигнал «Закончить», причем после этого сигнала работу снова возобновить, передав команду «Начать».
3. Декомпозиция на функциональные узлы.
Общая структура устройства.
3.1. Обозначение функциональных узлов
Обозначим в проектируемом устройстве основные функциональные блоки:
· Для работы с датчиками необходимы измерительные преобразователи (ИП), которые усилили бы сигналы для последующего аналого-цифрового преобразования и произвели фильтрацию сигнала. Так как с выхода ПДУ поступает физическая величина «ускорение», а нам нужна «скорость», то измерительный преобразователь должен еще и проинтегрировать сигнал с датчика. Также проектируемое устройство должно обрабатывать сигнал поступающий с ПДУ с допустимой погрешностью, как указано в ТЗ.
· Далее нужно оцифровать полученный аналоговый сигнал. Функцию оцифровки сигнала выполнит аналогово-цифровой преобразователь (АЦП).
· Для контроля измерения по определенным уровням необходимо использовать устройство сравнения (УС), которое будет сравнивать полученные результаты с заданными уровнями контроля.
· Для соглосования работы всех блоков входящих в состав УРС необходимо устройство управления (УУ).
· Для связи с ЭВМ нам нужен интерфейсный модуль (ИМ), который преобразовывал бы уровни напряжения, соответствующие цифровым величинам в форму понятную для интерфейса последовательного обмена RS232C. Так как по ТЗ величина линии связи устройства с ЭВМ составляет 20 м., а как известно, интерфейс RS232C поддерживает связь только на 15 м, то необходимо осуществить гальваническую развязку между УРС и ЭВМ.
П
олучается пять блоков. Далее на РИС 2. следует структурная схема системы «УРС - ЭВМ»:
ИМ передает сигналы управления от пользователя устройству управления. УУ должно управлять всеми блоками в устройстве кроме ИП, так как в их работе никакого управления не требуется. Потоки данных распределяются так: с ИП идут 16 аналоговых величин и поступают на аналоговый коммутатор (служит для переключения нескольких входных аналоговых входов на один выходной), затем на аналоговые входы АЦП, с выхода которого данные попадают в модуль УС и анализируется им. Сравнив значения измерений и порогового уровня результаты записываются во внутрений регистр. Далее ИМ передает в ЭВМ два байта данных, каждый бит которого соответствует одному каналу. Если бит равен 1, то уровень сигнала данного канала превышает пороговое значение.
3.2. Аналоговая часть проектируемого устройства
К аналоговой части проектируемого устройства относятся пьезо-датчики ускорения, измерительные преобразователи, коммутатор и АЦП.
В состав ИП входят:
· усилитель заряда (УЗ), для для усиления сигнала с выхода высокоимпедансных датчиков
· масштабный усилитель (МУ). МУ должен иметь восемь коэффициентов усиления для восьми диапазонов
· интегрирующий усилитель (ИУ)
· аналоговый коммутатор для переключения диапазонов и регистр состояния диапазонов.
Поскольку существует немало микросхем АЦП, которые имееют несколько аналоговых входов и осуществляют переключение между ними, то можно подключить сразу несколько ИП к одному АЦП. Исходя из ТЗ и главным образом из задачи макимально возможной аппаратной минимизации возможно использовать два 8-ми разрядных АЦП, к которым будет подключено по 8 ИП.
3.3. Устройство управления
Для того, чтобы выделить узлы УУ, опишем работу УРС. От пользователя поступает команда «Начать», которой является управляющее слово, задающее диапазон и уровень контроля. После этой команды, которая передается устройству управления через ИМ, УУ запускает все блоки УРС. В регистре состояния запоминается диапазон (1-8). Сигналы с датчиков подаются на входы ИП. На входы АЦП попадает отфильтрованный, отмасштабированный, проинтегрированный сигнал. Внутри АЦП производится поочередный выбор входов (каждому датчику соответствует свой вход АЦП) и идет преобразование аналоговой величины в цифровую. С выхода АЦП цифровая величина попадает в блок сравнения. УУ формирует на входе УС код, соответствующий пороговому уровню текущего канала В нем сравнивается это измерение с уровнем контроля, и, в зависимости от результата, передает байт соответствия контрольному уровню через ИМ по каналу связи в ЭВМ. Работа, как уже упоминалось, начинается и заканчивается по командам пользователя: команда окончания работы попадает в ИМ, который передает ее УУ.
В итоге в устройстве управления можно выделить три блока:
· блок установки и сравнения уровня контроля управляющий работой УС
· блок управления выбором диапазона
· блок запуска и окончания работы УРС
4. Реализация функциональных узлов в УРС.
1.ИП реализуются на операционных усилителях, причем один усилитель является усилителем заряда, поступающего с датчиков, один масштабный усилитель с переключаемым коэффициентом усиления (по ТЗ в УРС восемь диапазонов и соответственно восемь Ку) и один интегрирующий усилитель. В итоге получаем три усилителя на каждый канал.
2.АЦП, как отмечалось выше необходимо реализовать на 2 микросхемах, имеющих по 8 аналоговых входа.
3.Блок УС и УУ из-за их сложности удобнее реализовать на процессоре, чтобы все вычисления выполнялись программно, а не аппаратно.
4.Блок ИМ можно реализовать на однокристальной микро-ЭВМ, со встроенным последовательным портом. Так как по ТЗ УРС удален от ЭВМ на 20м, а интерфейс RS232C обеспечивает только 15м, то требуется дополнительная схема для преобразования уровня сигнала. В качестве такой схемы подойдет «токовая петля». Эта схема, во-первых, осуществит гальваническую развязку УРС и ЭВМ, а, во-вторых, по необходимости обеспечит связь более чем на 200м
4.1. Выбор АЦП
Ядром аналоговой части является АЦП. Выделим требования, предъявляемые к АЦП:
· Как уже говорилось, АЦП должен иметь 8 аналоговых входа с внутренним переключением.
· Погрешность преобразования должна составлять не более 10% полной погрешности устройства, заданной на уровне 2%, т.е. 0,2%.
· АЦП должен преобразовывать биполярный входной сигнал.
· АЦП должен иметь малую дифференциальную нелинейность и небольшую абсолютную погрешность полной шкалы.
Т.к. мы решили УУ и блок УС реализовать на микропроцессоре, то удобнее всего использовать МП имеющий встроенное АЦП. Всем перечисленным требованиям удовлетворяет микроконтроллер MC68HC16Z3 (его характеристики см. в Приложении №1). Однако данный микроконтроллер имеет лишь один АЦП. Поэтому необходим еще один внешний АЦП. По характеристикам подходит К572ПВ4. Данный восьмиразрядный АЦП имеет 64бит (8х8) статическое ОЗУ для хранения результатов преобразования. Характеристики микросхемы при температуре 25± 10°С: