Просмтор этого файла доступен только зарегистрированным пользователям. Но у нас супер быстрая регистрация: достаточно только электронной почты!

Текст из файла (страница 4)

Так как нет синхронизации по отельной линии, синхронизация происходит с помощью старт бита. После него идут восемь информационных битов, а затем стоповые биты, которых может быть один, два и даже более.

В момент передачи стартового бита и происходит синхронизация. Приемопередатчики UART обычно тактируются 16-кратной частотой по отношению к установленной скорости обмена. Приемник отсчитывает от фронта стартового бита несколько тактов (чтобы попасть в середину стартового бита), и три такта подряд проверяет состояние линии (оно должно быть логическим нулем). Если все три состояния совпали, то принимается решение, что действительно пришел стартовый бит. Тогда восемь раз подряд с заданным периодом регистрируется состояние линии. Данные в UART всегда передаются младшими битами вперед. После этого линия переходит в состояние стопового бита и может в нем пребывать сколь угодно долго, пока не придет следующий стартовый бит.

Рисунок 1.8 - Диаграмма передачи данных по последовательному интерфейсу RS-232 в формате 8n2

В используемом контроллере четыре 8-битных портов ввода-вывода. Для экономии выводов, в качестве управления и контроля дискретными состояниями использован расширитель портов на микросхеме PCF8574х, взаимодействие с которым осуществляется по двухпроводной шине TWI.Общая схема соединения устройств показана рисунке 1.9.

Рисунок 1.9 - Соединение устройств по интерфейсу I2C

Типовой вариант обмена информацией по интерфейсу I2C показан на рисунке 1.10. Кратко расшифруем эту диаграмму. Любой сеанс передачи по протоколу I2C начинается с состояния линии, именуемого Start (когда сигнал на линии SDA меняется с лог. 1 на лог. 0 при высоком уровне на линии SCL). Start может выдаваться неоднократно (тогда он называется "повторный старт"). Заканчивается сеанс сигналом Stop (состояние линии SDA меняется с лог. 0 на лог. 1 при высоком уровне на линии SCL). Между этими сигналами линия считается занятой, и только ведущий (тот, который выдал сигнал Start) может управлять ею. Сама информация передается уровнями на линии SDA, причем смена состояний может происходить, только при низком уровне на SCL, а при высоком уровне на ней происходит считывание значения бита. Любая смена уровней SDA при высоком уровне SCL будет воспринята как-либо Start, либо Stop.

Рисунок 1.10 - Обмен информацией по интерфейсу I2C

Используется два вида микросхем - PCF8574 и PCF8574A. Эти микросхемы различаются только лишь базовым адресом. Для PCF8574 это 0100 в двоичном исчислении. Для PCF8574А это 0111. Адрес конкретной микросхемы задается путем подачи на адресные выводы логических нуля или единицы. Это делается в процессе монтажа, согласно монтажной схеме. Структура мониторинга объектов с помощью микросхем по шине I2C представлена на листе 2 графического материала.

Для регистрации аналоговых параметров сигналов не обходим АЦП. АЦП входит во многие современные модели МК AVR, и в том числе может использоваться для замены функций более простого в обращении, но менее функционального аналогового компаратора. АЦП в AVR — многоканальный. Обычно число каналов равно 8, но в разных моделях оно может варьировать от 4 каналов до 16 каналов. Многоканальность означает, что на входе единственного модуля АЦП установлен аналоговый мультиплексор, который может подключать этот вход к различным выводам МК для осуществления измерений нескольких независимых аналоговых величин с разнесением по времени. Входы мультиплексора могут работать поили объединяться в пары для измерения дифференциальных сигналов. Иногда АЦП дополнительно снабжается усилителем напряжения с фиксированными значениями коэффициента усиления 10 и 200. Сам АЦП представляет собой преобразователь последовательного приближения с устройством выборки-хранения и фиксированным числом тактов преобразования, равным 13. Тактовая частота формируется с помощью специального предделителя тактовой частоты МК, который может иметь коэффициенты деления от 1 до 128.Коэффициент деления следует выбирать таким, чтобы при заданном тактовом генераторе тактовая частота АЦП укладывалась в рекомендованный диапазон 50–200 кГц (т. е. максимум около 15 тыс. измерений в секунду).

Разрешающая способность АЦП в МК AVR — 10 двоичных разрядов, чего для большинства типовых применений достаточно (около 0,1% шкалы). Абсолютная погрешность преобразования зависит от ряда факторов и в идеальном случае не превышает 2 младших разрядов, что соответствует общей точности измерения примерно 8 двоичных разрядов (погрешность 0,25% шкалы измерения).

С целью ведения реального времени, задействован 8 разрядный таймер, работающий в асинхронном режиме. Таймер тактируется от колебаний внешнего тактового генератора, построенного на кварцевом резонаторе частотой 32,768 кГц. Такая частота выбрана, так как 32768 = 2 в степени 15. Таким образом, за 32768 колебаний произойдет переполнение 16 разрядного регистра или два переполнения 8 разрядного таймера. Как только произойдет прерывание по переполнению, программа произведет нужные вычисления.

Для контроля температуры как внутри прибора, так и в помещении, в котором установлен прибор, необходимо наличие датчика температуры. В качестве датчика температуры выбран аналоговый датчик фирмы ST Microelectronics LM335. LM335 температурный чувствительный элемент с диапазоном от -40 C до +100 C и точностью в 1 C. Фактически, LM335 это стабилитрон с нормированным температурным коэффициентом напряжения. То есть изменение температуры датчика на 1 градус ведет к изменению напряжения на 10 мВ. Схема включения представлена на рисунке 2.6.

Рисунок 1.11 - Схема включения температурного датчика

2 Техническая часть

2.1 Разработка общей концепции устройства мониторинга.

2.1.1 Сравнительный анализ приборов исследования электрических сигналов

В процессе разработки и обслуживания электронных и электрических систем появляется необходимость анализировать электрические сигналы. Для такого анализа нужно знать, а еще лучше видеть некоторые из параметров исследуемого сигнала, его напряжение (амплитуду), частоту, сдвиг фаз, но именно форма сигнала зачастую позволяет понять процессы, происходящие в электрической цепи.

К примеру, многие устройства железнодорожной автоматики выходят из строя по причине некачественного электропитания. Произведя анализ тока и напряжения электропитания, можно сделать вывод, что оно удовлетворяет требованиям. Однако при рассмотрении формы питающего напряжения, произведя спектральный анализ, можно увидеть различные паразитные частотные составляющие, всплески, пульсации.

Осциллограф является одним из основных инструментов, предназначенным для тестирования электронных схем. Этот измерительный прибор отображает форму электрических сигналов, показывает изменение напряжения с течением времени и позволяет понять, что же на самом деле происходит в схеме. Многие из параметров, измеряемых осциллографом, невозможно получить, используя мультиметр.

Таким образом, осциллограф позволяет:

• определить временные параметры и значения напряжения сигнала (его амплитуду);

• вычислить частоту сигнала;

• наблюдать сдвиг фаз, который происходит при прохождении различных участков цепи;

• наблюдать искажение сигнала, вносимые каким-то участком цепи;

• выяснить постоянную (DC) и переменную (AC) составляющие сигнала;

• выяснить соотношение сигнал/шум.

Базовый принцип, лежащий в основе любых осциллографов, один и тот же, но существует целый ряд отличий в способах обработки сигнала. Эти отличия и формируют различные категории осциллографов.

Наиболее общее деление можно произвести, выделив аналоговые и цифровые осциллографы. Последние, в свою очередь, делятся на цифровые осциллографы, цифровые запоминающие осциллографы, осциллографы с цифровым люминофором и цифровые стробоскопические осциллографы.

Преимуществом аналогового осциллографа является отсутствие шумов, имеющих по своей сути цифровую природу, а именно отсутствует шум АЦП, который проявляется в виде ступенчатой осциллограммы на цифровых приборах. Если очень важна точность в передаче формы исследуемого сигнала, тогда необходим аналоговый прибор.

Цифровые осциллографы очень популярны. Преимущества цифрового осциллографа очевидны:

• портативность и небольшой вес;

• широкая полоса пропускания;

• возможность измерения одиночного сигнала;

• расширенный интерфейс;

• возможно проведение измерений на экране;

• цветной дисплей;

• возможность хранения и печати данных;

• возможность цифровой обработки сигналов (в виде быстрого преобразования Фурье, сложения, вычитания, интегрирования и пр.);

• возможность применения к сигналам цифровой фильтрации.

Цифровые осциллографы дают возможность высокоскоростного сбора данных и могут быть интегрированы в системы автоматического тестирования (актуально для производств).

Цифровые приборы могут включать в одном корпусе дополнительные устройства:

• цифровой (логический) анализатор – устройства, позволяющие анализировать пакеты цифровых данных, например передаваемых через различные интерфейсы I2C, USB, CAN, SPI и прочие);

• генератор функций (сигналов произвольной формы);

• генератор цифровых последовательностей.

Если осциллограф выполнен в виде переносного устройства, то часто он совмещается с мультиметром, их еще называют скопметрами. Неоспоримыми преимуществами таких устройств являются независимость от питающей сети, компактность, мобильность и универсальность.

На листе 1 графического материала представлены промышленные осциллографы, а также сравнительные результаты измерений различных осциллографов.

2.1.2 Определение технических характеристик разрабатываемого устройства

Если не нужно иметь большую точность воспроизводимого сигнала, но нужно делать базовую обработку сигнала, как например спектральный анализ, не целесообразно установка дорогостоящего измерительного устройства. К тому же речь может идти об установке большого количества таких устройств. Так же стоит отметить, что устройство измерения должного быть цифровой архитектуры.

Такое устройство должно работать в широких пределах входного напряжения, которое может достигать 1000 В. Для этого необходимы делители напряжения, входные фильтры гальванические развязки.

Прибор должен иметь возможность анализировать сигнал в частотном диапазоне от 1 Гц до 7 кГц. Такая задача реализуема с помощью 10-ти разрядного АЦП последовательного приближения, с частотой дискретизации около 15 кГц.

Для лучшей интеграции в оборудование железнодорожной автоматики, и большей многофункциональности устройство должно иметь несколько модификаций. К таким модификациям можно отнести:

• устройство с дополнительной внешней памятью, для первичной обработки и анализа измеряемых данных;

• устройство с возможностью расширения, для контроля большого количества дискретных величин;

• устройство для контроля аналоговых величин.

В результате, можно выделить основные требования к устройству:

- измерение параметров сигналов устройств;

- контроль дискретных состояний;

- первичная обработка информации;

- передача информации на концентратор данных посредством беспроводной сети или USB интерфейса;

- ханение данных в энергонезависимой внешней памяти;

- синхронизация по встроенным часам реального времени, а также ведение даты;

- отображение диагностической информации на дисплее;

2.2 Выбор и описание средств разработки

2.2.1 Интегрированная отладочная среда AVR

Для реализации поставленной был разработан программно-технический комплекс, в который входят программные пакеты разработки и тестирования микропроцессорных устройств, а также лабораторный стенд.

AVR Studio профессиональная интегрированная среда разработки (Integrated Development Environment - IDE), предназначенная для написания и отладки прикладных программ, для AVR микропроцессоров в среде Windows. AVR Studio содержит ассемблер, С и симулятор. Также IDE поддерживает такие средства разработки для AVR как: ICE50, ICE40, JTAGICE, ICE200, STK500/501/502 и AVRISP. «AVR Studio» поддерживает COFF как формат выходных данных для символьной отладки. Другие программные средства третьих фирм также могут быть сконфигурированы для работы с «AVR Studio». Интерфейс программы представлен на листе 3 графического материала, а так же на рисунке 2.1.

Рисунок 2.1 – Интерфейс АVR Studio

Окно исходного текста программ - ключевое окно в AVR Studio это окно исходного текста программы. Когда объектный файл открыт, автоматически создается окно исходного текста программ. В окне отображается код, который выполняется в отладочном окружении (эмуляторе или программном симуляторе), а текстовый маркер всегда находится на строке, которая будет выполнена в следующем цикле.

Выполнение программ и пошаговый режим - пользователь может выполнять программу полностью в пошаговом режиме, трассируя блоки функций, или выполняя программу до места, где стоит курсор. В дополнение можно определять неограниченное число точек останова, каждая из которых может быть включена или выключена. Точки останова сохраняются между сессиями работы.

Просмотр регистров - в окне исходного текста программы выводится информация о процессе выполнения программы. В дополнение, AVR Studio имеет много других окон, которые позволяют управлять и отображать информацию о любом элементе микроконтроллера.

Характеристики

Список файлов ВКР