2. Организация ввода-вывода сигналов и данных (1245060)

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

Текст из файла

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.

Характеристики

Тип файла PDF

PDF-формат наиболее широко используется для просмотра любого типа файлов на любом устройстве. В него можно сохранить документ, таблицы, презентацию, текст, чертежи, вычисления, графики и всё остальное, что можно показать на экране любого устройства. Именно его лучше всего использовать для печати.

Например, если Вам нужно распечатать чертёж из автокада, Вы сохраните чертёж на флешку, но будет ли автокад в пункте печати? А если будет, то нужная версия с нужными библиотеками? Именно для этого и нужен формат PDF - в нём точно будет показано верно вне зависимости от того, в какой программе создали PDF-файл и есть ли нужная программа для его просмотра.

Список файлов лекций