Болл С.Р. Аналоговые интерфейсы микроконтроллеров (2007), страница 3

Так, в большинстве случаев следует также знать число бит для обеспечения требуемой точности при измерении или управлении. Так, например, если температура должна измеряться в диапазоне 0...100'С и точность измерения должна составлять 1'С, понадобится 100 дискретных величин. Поскольку 8-битный аналого-цифровой преобразователь (АЦП) может разбить величину входного напряжения на 2а, или 256, значений, для данной системы вполне допустимо применение 8-бит- 16 ° Глава 1.

Параметры системы ного АЦП. Но если точность измерения температуры повышается и должна составлять 0.1'С, понадобится уже 100/0.1 дискретных величин, т. е. 1000 величин, и, следовательно, — 10-битный АЦП (который производит 2'в, или 1024 величины).

1.2. Точность измерения напряжения Число бит, необходимое для измерения температуры в нашем случае, зависит от диапазона измеряемой величины (температуры, напряжения, интенсивности света, давления и т. п.), а не от диапазона входного напряжения АЦП. Действительно, диапазон температур 0...100'С может быть приведен к разным величинам размаха входного сигнала: 0...5 В или 0...1 В. В обоих случаях динамический диапазон остается тем же.

Однако в диапазоне 0...5 В для обеспечения точности 1'С каждый шаг составляет 19.5 мВ, который получается делением 5 В/256, а для обеспечения точности 0.1'С вЂ” 4.8 мВ (5 В/1024). В случае диапазона 0...1 В каждый шаг уменьшается соответственно до 3.9 мВ и 976 мкВ. Это повлияет на выбор типов АЦП и операционных усилителей (ОУ) и т.

п. (Более детальное изучение этих соотношений будет произведено в последуюших разделах.) При этом динамический диапазон системы определяет, сколько бит необходимо для измерения с требуемой точностью величин сигналов. То, как преобразуется динамический диапазон аналогового и затем цифрового сигнала в целом, накладывает определенные ограничения на систему. 1.3. Калибровка Определение параметров, связанных с динамическим диапазоном, поднимает вопросы калибровки. Измеряемая величина, заключенная в определенном динамическом диапазоне, подразумевает определенное число бит для достижения требуемой точности.

Однако реальные компоненты, применяемые для измерения реальных величин, сами обладают собственными погрешностями. Резистор номиналом 1О кОм может иметь сопротивление в пределах 9900...10100 Ом, если погрешность составляет 1%, или — 9990...10010 Ом, если погрешность составляет всего лишь 0.1%. К тому же, сопротивление изменяется при изменении температуры. Все компоненты системы, включая датчики, имеют погрешности. Более детально этот вопрос будет изучен в главе 9, а сейчас рассмотрим, как достигается требуемая точность.

Возьмем вновь пример с измерением температуры в диапазоне О...! 00'С. Измерение с точностью 1'С может быть достигнуто без дополни- КЗ. Калибровка ° 17 тельных подстроек. Однако надо заметить, что точность 0.1'С потребует введения дополнительной калибровки, поскольку трудно найти соответствующий температурный датчик по приемлемой цене. Выйти из положения можно, включив в конструкцию подстроечный элемент для компенсации погрешности. Необходимость этапа калибровки подразумевает и другие технические требования к системе.

Например, будет ли часть системы, содержащая датчик, находиться на плате рядом с подстроечным элементом? Если нет, то, как связать эти компоненты после того, как калибровка выполнена? И что, если инженер должен заменить датчик в производственных условиях? Сделает ли инженер калибровку? Будет ли реально дешевле добавлять этап калибровки при процедуре сборки, чем купить более дорогой датчик? На данном этапе технические и экономические вопросы калибровки идут рядом и должны учитываться разработчиком. Решить все эти вопросы и сделать калибровку технологичной, независимой от образца к образцу поможет замена аналоговых высокоточных элементов и датчиков на стандартные цифровые компоненты. Например, во многих случаях, когда без калибровки не обойтись, полученные параметры могут быть вычислены программно и записаны в память системы.

Как этого добиться? Можно поместить датчик в среду с известной температурой и измерять выходной сигнал. Известно, что идеальный датчик должен произвести напряжение Х при температуре Т, однако реальный датчик при температуре Т производит напряжение У. Измеряя выходной сигнал при различных температурах, можно получить таблицу соответствия напряжение/температура в виде констант. Данная таблица констант может быть сохранена в памяти микропроцессорной системы. Когда микропроцессор будет считывать показания датчика, он обратится к данной таблице констант и произведет необходимые вычисления для определения действительной температуры.

Допустим, вам понадобилось хранить калибровочные константы датчика, который физически размещается на некотором удалении от микропроцессора. На Рнс. 1.1 показаны три варианта хранения калибровочных констант. На Рнс. 1.1а удаленный датчик соединен кабелем с микропроцессором. Тогда датчик можно было бы заменить другим без дополнительной калибровки, так как микропроцессор хранит калибровочные данные во внешнем электрически стираемом ППЗУ (ЭСППЗУ вЂ” Е1есгпса11у ЕгазаЫе РгоягапппаЫе Кевин-Оп!у Мегпогу, ЕЕРКОМ) или флэш-памяти (йавп тепюгу).

Особенности использования данной схемы подключения следующие: 18 ° Глава!. Параметры системы Удапаииий датчик б! Микропроцессор в) Микропроцессор Ряс. 1.1. Методы хранения калибровочных констант латинка ° Калибровочные константы для всех используемых датчиков можно хранить в одной и той же области памяти, что требует меньшего объема памяти. К тому же, если калибровка выполняется с помощью программных вычислений, вместо поиска из таблицы констант, одна подпрограмма может быть использована для любых датчиков одного типа. ° После калибровки датчик должен всегда находиться с одной и той же микропроцессорной платой.

° Если заменить датчик или микропроцессор, используя калибровочные константы одного датчика для другого, то результаты будут неточными, но узнать об этом будет невозможно, пока микропроцессор не идентифицирует новый датчик. Схема на Рис. 1.1б иллюстрирует другой метод хранения констант не совместно с микропроцессором, а в ППЗУ, содержащем калибровочные константы, которое находится на одной плате с датчиком. ППЗУ может представлять собой небольшую микросхему, соединенную с микропроцессором при помощи одного из типов интерфейса; 1зС или М1сгоук1ге (более подробно об интерфейсах см.

в главе 2). Особенности данной схемы подключения следующие: ° Поскольку каждый датчик снабжен ППЗУ со своими калибровочными константами, плата датчика может быть заменена без дополнительных трудностей. Датчики могут быть откалнброваны без специального согласования с микропроцессорной системой. !.4. Пропускная способность шины ° 19 ° Требуется больше запоминающих устройств — по одной интегральной схеме ППЗУ на каждый датчик. И, наконец, схема на Рис.

1.1в находится еще на шаг впереди своих предшественников. На плату с датчиком устанавливается микроконтроллер (МК), выполняющий калибровку и хранение данных во внутреннем П ПЗУ микроконтроллера. Особенности третьей схемы следующие; ° Отпадает необходимость в калибровке на плате главного микропроцессора. При одинаковых измеряемых величинах на центральную плату всегда будет поступать одна и та же величина независимо от разброса параметров датчиков. ° Если датчик недоступен и должен быть заменен в готовом изделии, замена не повлияет на программное обеспечение главного процессора, поскольку все калибровки сохранены на удаленной плате во внутренней памяти микропроцессора датчика. ° Требуется поддерживать большее количество микропроцессорной техники, в некоторых случаях, с серьезным программным обеспечением (медицина, военная техника), что может значительно увеличить стоимость.

Отдельная тема при рассмотрении процесса калибровки — это человеческий фактор. Если система нуждается в калибровке в условиях производства, не окажется ли так, что персонал должен выполнять калибровку на расстоянии около 3.66 м (12 футов) от центрального процессора и одновременно нажимать клавишу ЕХТЕК на клавиатуре? Где же следует разместить переключатели так, чтобы не делать постоянные пробежки от датчика к компьютеру для нажатия клавиш или просмотра результатов на дисплее? Следует ли автоматизировать процесс настройки для снижения числа действий оператора? Чем больше ручных подстроек, тем больше шансов ошибиться.

1.4. Пропускная способность шины Несколько лет назад я занимался методами визуализации изображений. Разработанная система служила для ввода данных с помощью светочувствительной ПЗС-линейки. За одно сканирование мы регистрировали 1024 пикселя". К тому же, мы должны были считывать информацию со скоростью 150 дюймов в секунду с разрешением 200 пикселей на дюйм. Сигнал от каждого элемента подвергался 8-битному аналого-цифровому " Пиксель (от англ. р)егаге е(егаеаг — р(лей — точка растра.

(Пратг. науч. ред.) 20 ° Глава Е Параметры системы преобразованию (байт иа пиксель). Скорость обработки данных составила, таким образом, 150х1024н200 или 30 720 000 байт/с. Планировалось использовать шину стандартного параллельного интерфейса магистрально-модульного )гМЕ (Чегза Моди!е Ецгоре Ьив) как основную для данной системы. Данные каждого сканирования должны были быть считаны, нормированы, отфильтрованы, а затем преобразованы в 1- битное изображение. При обсуждении архитектуры будущей системы один из инженеров настаивая, чтобы все данные были поданы на шину ЧМЕ. В те дни шина ЧМЕ характеризовалась максимальной пропускной способностью (Ьапдтн!дгЬ) 40 Мбайт/с, но очень немногие системы достигают максимально возможного теоретического предела.

Нам была необходима следующая пропускная способность: ° Считывание данных, поступающих от видеокамеры: 30.72 Мбайт/с. ° Прохождение данных через систему нормализации: 30.72 Мбайт/с. ° Прохождение данных через фильтр: 30.72 Мбайт/с. ° Поступление данных на преобразователь в монохромный формат; 30.72 Мбайт/с. ° Прохождение монохромных данных к выходу: 3.84 Мбайт/с. Если сложить данные значения, получится величина 126.72 Мбайт/с, намного превышающая даже теоретический предел пропускной способности шины ЧМЕ. Недавно мне довелось работать с подобным устройством визуализации изображений с применением систем цифровой обработки сигналов, НОС (О!я!га! Яапа! Ргосеьв|пй, ОВР) и множественной системной 32-битной шиной стандартного параллельного периферийного интерфейса для подключения периферийных устройств РС/ (Рег!рйега! Сошропепг 1пгегсоппес(), причем одна из шин РС! была близка к своей максимальной пропускной способности.

Основная задача в таких случаях состоит в том, чтобы знать, какой объем данных требуется передать, и какие используются интерфейсы для передачи данных. Если предполагается использовать стандартные последовательные интерфейсы, такие как Егйегпег или Е(ге ВГге, следует удостовериться в том, что они поддерживают требуемую пропускную способность. 1.5. Производительностьпроцессора Во многих приложениях необходимо учитывать производительность процессора (Ргосезьог ТЬговйбрцг).

В упомянутых выше системах обработки изображений большинство функций было реализовано аппаратно, поскольку существующие на тот период времени процессоры не могли обеспечить достаточной скорости. С ростом тактовой частоты процессоров 1.5. Производительность процессора ° 21 больше функций стало выполняться программно.