2. Организация ввода-вывода сигналов и данных (Лекции по дисциплине "Управляющие ЭВМ и комплексы")

2. Организация ввода-вывода сигналов и данныхВ любой системе управления необходимы средства ввода-вывода (ВВ) сигналов и данных, посредствомкоторых осуществляется физическая связь и взаимодействие с объектом управления (ОУ):- Программируемых контроллеров (ПРК) с датчиками (ДЧ), исполнительными механизмами (ИМ) и др.устройствами;- ПРК с другими ПРК и компонентами верхних уровней на основе цифровых последовательныхинтерфейсов;- в системе необходима также связь (интерфейс) с человеком-оператором.Решение задач ВВ сигналов осуществляется с использованием таких устройств, аппаратные и программные средства которых предполагают определенную предобработку сигналов, поступающих с ДЧ и на ИМ,а также своевременное преобразование различных типов сигналов в цифровые и наоборот.Такие устройства называют устройствами сопряжения с объектом (УСО).

Это функциональные модули, которые могут представлять собой: а) конструктивно законченное устройство; б) встроенный модуль(например, в ПРК или промышленный компьютер); в) модуль, реализованный на кристалле микроконтроллера.Помимо указанных выше функций ряд УСО может выполнять более сложные функции за счет наличия вих составе аналого-цифровых и цифро-аналоговых преобразователей (АЦП и ЦАП), микроконтроллеров (МК) иинтерфейсов передачи данных.Для систем с сетевой архитектурой, когда передача-прием сигналов должны осуществляться на значительные расстояния, используются модули УСО, называемые коммуникационными.Одной из основных тенденции развития УСО является стремление наделить их локальным интеллектом ивозможностью взаимодействовать с цифровыми модулями.Минимальный интеллект предполагает, что УСО должно, по крайней мере, общаться с элементами системы управления более высокого уровня по цифровому каналу – являться элементом цифровой сети.

В этомслучае проще и дешевле гальванически «развязать» дискретный последовательный сигнал; кроме того, цифровойпоследовательный код более помехоустойчив, соответственно вероятность искажений при передаче данных поканалу связи с ПРК существенно меньше;Таким образом, одними из основных компонентов УСО являются АЦП и ЦАП, которые в ряде ПРКвстроены на кристалле МК.Существенно отметить, что в системах управления аналого-цифровое преобразование осуществляется навходе ПРК (преобразование сигналов с датчиков), а цифро-аналоговое преобразование - на входе аналоговыхконтуров (исполнительных механизмов), т.е.

эти преобразователи существенно влияют на точность системы.Управляющая система (регулятор) – программируемый контроллерЦ и ф р о в а яЗакончастьЗаконG(t)(t)АX(t)ЦПЗаконы регулирования;ЗаконАлгоритмыобработкирегулированиярегулированияданных ирегулированияпрограммно-логическогоуправленияЦАПU(t)ИМОбъектуправленияДЧX(t)2.1. Аналого-цифровое и цифро-аналоговое преобразованияПри разработке управляющих систем нужны знания о компонентах, обеспечивающих взаимодействиецифровых и аналоговых элементов системы, в частности, об АЦП и ЦАП.2.1.1. Аналого-цифровые преобразователи (АЦП)Основная задача АЦП - цифровое представление сигнала - установление соответствия между входныманалоговым сигналом (напряжением, током, …) и выходным двоичным кодом D за счет выполнения процедур:дискретизация по времени, квантование по уровню, кодирование (рис.1).11117 (2,1)111квантования1111111106 (1,8)1105 (1,5)U*(t)=U(t)+4 (1,2)U(t)1011011000113 (0,9)0110102 (0,6)1 (0,3) - шумf(t) {f(kT)} {F(kT)} {Dk}U(t) [В]0100100100100010010 (0,0) 00000000,10000010,20110,31100,40,51110,61110,71110,81010,90101,00101,10101,2010000t [мс]1,3000 Цифровой сигнал DkРис.

1. Иллюстрация преобразования аналогового сигнала f(t) в цифровой Dk: разрядность АЦП n=3;частота дискретизации 10 кГц (шаг дискретизации по времени Т=0,1 мс); Umin= 0 В, Umах= 2,1 ВДискретизация по времени - выборка значений сигнала f(t) в дискретные моменты времени. Полученныйсигнал – это последовательность {f(kT)}, k=0,1,2,3,…, элементы которой в точности равны соответствующим значениям непрерывного сигнала (только в дискретные моменты времени). Такую функцию называют функциейдискретного аргумента или решетчатой функцией.Квантование по уровню - обусловлено тем, что любой процессор оперирует числами, имеющими конечное число разрядов. Т. е. квантование – это округление значений функции до ближайшего уровня, число уровнейквантования N определяется выражением N=2n, где n– разрядность АЦП.

В результате получается последовательность {F(kT)}, k=0,1,2,3,…, элементы которой являются округленными значениями элементов последовательности {f(kT)}.Кодирование – представление в двоичной системе счисления округленных квантованных значений. Результат кодирования - последовательность двоичных чисел {Dk}, k=0,1,2,…, которыми представлены элементыпоследовательности {F(kT)}.Двоичный код - D(d n 1d n2 ...d1d0 ) . Двоичная система является позиционной.

Каждый разряд кода di принимает значение di={0,1} и имеет определенный вес – число 2 в степени, соответствующей позиции разряда(младший разряд справа). Число, задаваемое двоичным кодом D, можно представить в виде полиномаn 1n 1i 0i0D  d n 1  2 n 1  d n  2  2n  2  ...  d1  21  d 0  20   d i  2i . При всех di=1, i  0, n  1 , D  Dmax   2i  2 n  1 .210Например, 7(10) = 111(2) = 12 +12 +12 , 53(10) = 110101(2) = 125+124+023+122+021+120.Итак, аналоговый сигнал может принимать неограниченное число значений в пределах диапазона егоизменения (Umах - Umin), однако число различных значений цифрового кода N ограничено.

Оно определяется разрядностью АЦП: N=2n, n- число разрядов. Т.е. при оцифровке сигнала его текущее значение измеряется не точно, а округляется до ближайшего уровня. Говорят, что при АЦ-преобразовании на сигнал накладывается такназываемый шум квантования. При этом, чем выше разрядность АЦП, тем меньше этот шум.Правильный выбор шагов дискретизации по времени и по уровню очень важен.

Чем меньше шаг дискретизации по времени, тем точнее полученный сигнал соответствует исходному. Однако при уменьшении шагавозрастает число отсчетов, а для сохранения общего времени обработки сигнала неизменным, необходимо увеличивать скорость обработки, что не всегда возможно.2При уменьшении шага квантования по уровню требуется большее число разрядов - возрастает сложность аппаратуры (разрядность регистров и т.д.).На рис.

1 диапазон изменения аналогового напряжения от 0 до 2,1 В и разбит на 8 уровней (считая нулевой) N=23=8 (а ненулевых уровней 23-1=7 !). При этом напряжение до 0,15 В будет оцифровано как число 000; от0,15 В до 0,45 В - как число 001 и т. д. Если напряжение будет выходить за пределы диапазона АЦП, то результаты оцифровки сигнала будут неверными - необходимо согласовать диапазон сигнала с входным диапазоном АЦП.Слишком уменьшать сигнал также нежелательно, т.

к. упадёт разрешение АЦП, т.е. сигнал будет представленменьшим числом градаций уровня.АЦП характеризуются точностью, скоростью, сложностью аппаратной реализации и т.д. Поэтому выбор АЦП требует определенных знаний. Схемы АЦП могут реализовываться на основе последовательной, параллельной либо последовательно-параллельной процедур, они могут содержать в своем составе или не содержать ЦАП.Параллельные АЦПУ них все разряды выходного кода вычисляются одновременно/параллельно – они самые быстродействующие. На рис.2 приведена схема 3-разрядного АЦП, содержащая:- источник опорного напряжения (ИОН) Uоп,- высокоточный резистивный делитель напряжения,- аналоговые компараторы (К) на каждый дискретный уровень Uвх,- шифратор и- выходной регистр (РГ).Используется 7 компараторов и 7 соответствующих значений Uоп, образуемых с помощью делителя.

Каждый из компараторов сравнивает Uвх с индивидуальным значением Uоп. Значения Uоп, снимаемые с делителя,начинаются со значения, равного половине величины младшего значащего разряда (МЗР) (обозначена символомh), и увеличиваются при переходе к каждому следующему компаратору с шагом, равным h. Т. е., для 3-х разрядного АЦП нужно 23-1=7 компараторов.В рассматриваемом примере h=Uоп /(23-1)=Uоп /7. Если Uвх,i не выходит за пределы диапазона от 5/2h до7/2h, то компараторы с 1-го по 3-й устанавливаются в состояние 1, а с 4-го по 7-й - в 0.В общем случае все компараторы, соответствующие уровням, расположенным ниже уровня Uвх,i, выдадутна своём выходе сигнал 1, а остальные - нули. Шифратор выдаёт соответствующий цифровой код.