46352 (Проектирование системы сбора данных)

Проектирование системы сбора данных

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:

3. РАЗРАБОТКА СТРУКТУРНОЙ СХЕМЫ. ОБОБЩЕННЫЙ АЛГОРИТМ РАБОТЫ

Структурная схема системы сбора данных представлена на рис.1

Обобщенная структурная схема системы сбора данных.

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 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 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 (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 f_рез=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=(2^SMOD/64)f_рез.

Иными словами, при SMOD=0 частота передачи равна (1/64)f_рез, а при SMOD=1 равна (1/32)f_рез.

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