1.2. Аналогові інтерфейси інформаційно-вимірювальних систем
Під аналоговим інтерфейсом (АІ) будемо розуміти сукупність засобів вимірювальної техніки, що є складовою частиною вимірювального каналу між первинним вимірювальним перетворювачем та аналого-цифровим перетворювачем. Узагальнена структурна схема АІ ІВС наведена на рис. 1.8.
Таким чином, аналогові інтерфейси ІВС є однією з найбільш важливих складових частин ІВС, що визначають їх метрологічні характеристики.
Рисунок 1.8 – Спрощена структурна схема АІ ІВС
АІ в ІВС виконують наступні функції:
масштабне перетворювання вимірювальних сигналів;
фільтрація вимірювальних сигналів;
компенсація температури холодних спаїв термопар;
гальванічна розв’язка передавальної і приймальної частин;
лінеаризація характеристик первинних вимірювальних перетворювачів;
ініціалізація пасивних датчиків;
мультиплексування вимірювальних сигналів;
передача вимірювальної та службової інформації.
Інтенсивне впровадження засобів обчислювальної техніки у вимірювальну техніку визначає стійку тенденцію до інтелектуалізації аналогових інтерфейсів, відкриває нові перспективи підвищення їх ефективності. Інтелектуалізація аналогових інтерфейсів додала їм наступні додаткові функції:
автокалібровка;
самодіагностика;
інформаційні функції;
управління параметрами вимірювального каналу.
Типова структурна схема АІ ІВС зображена на рис. 1.9.
Рисунок 1.9 – Типова структурна схема аналогового інтерфейсу ІВС
Вимірювальний канал включає в себе:
Д – датчик;
ПУ – пристрій узгодження;
U⁄(U,I,f) – перетворювач із напруги;
μP – мікропроцесор;
УСАПП – універсальний синхронно-асинхронний прийомопередавач;
Мод – модем;
РА – паралельний адаптер;
ЗК – засіб корекції;
Лінії зв’язку;
А – адаптер;
(U,I,f)⁄U – перетворювач у напругу;
ФНЧ – фільтр низьких частот (використовується у якості звужувача полоси шумів, а також у якості anti-aliasing фільтру);
MUX – мультиплексор;
П – підсилювач (з програмованим коефіцієнтом підсилення (ізолюючий підсилювач));
Шину.
Приймальна та передавальна (аналогові) частини у процесі інтелектуалізації доповнюються цифровими елементами (засобами мікропроцесорної техніки), логічними схемами на жорсткій (наприклад, програмованій логічній матриці) та гнучкій (мікропроцесори) логіці. Отже, розглянемо докладніше систему збору даних та приклади її інтелектуалізації.
1.3. Системи збору даних і мікроконвертори
Поступове ускладнення АЦП, поява багатоканальних АЦП, АЦП з вбудованим пристроєм вибірки-збереження, АЦП зі складною цифровою частиною призвело до того, що зараз існують завершені однокристальні системи збору даних, що забезпечують перетворення в цифровий код сигналів, що надходять від багатьох датчиків і передачу їх на мікроЕОМ .
Система збору даних (СЗД) - комплекс засобів, призначений для роботи сумісно з персональним комп'ютером, або спеціалізованою ЕОМ і здійснює автоматизований збір інформації про значення фізичних параметрів в заданих точках об'єкта дослідження з аналогових та/або цифрових джерел сигналу, а також первинну обробку, накопичення і передачу даних.
Блок-схема розвиненої системи збору даних наведена на рис. 1.10.
Рисунок 1.10 – Блок-схема системи збору даних
ДОН – джерело опорної напруги;
ППК – підсилювач з програмованими коефіцієнтами;
ПВЗ – пристрій вибірки та зберігання;
АЦП – аналого-цифровий перетворювач;
FIFO (first input-first output – перший на вході - перший на виході) – оперативний запам'ятовуючий пристрій зворотного магазинного типу;
Буфер ШД – буфер шини даних.
Основу системи становить АЦП, зазвичай АЦП послідовного наближення. Щоб зменшити число корпусів інтегральної мікросхеми (ІМС), необхідних для створення системи збору даних, в схему вбудовані ПВЗ та ДОН. Для підключення до декількох джерел вхідних аналогових сигналів використовується аналоговий мультиплексор. Щоб скоротити частоту переривань головного процесора деякі системи збору даних забезпечуються оперативним запам'ятовуючим пристроєм зворотного магазинного типу FIFO. Вимірювальний підсилювач ППК, що входить в систему, змінює свій коефіцієнт підсилення по команді від схеми керування. Це дозволяє вирівняти діапазони аналогових сигналів з різних входів.
Схема управління може включати оперативний запам'ятовуючий пристрій (ОЗП), до якого завантажується від головного процесора блок робочих команд. Ці команди містять відомості про те, які операційні режими слід використовувати, які з вхідних каналів повинні бути однопровідними, а які - об'єднуватися з утворенням диференціальних пар, наскільки часто і в якому порядку слід робити вибірку для кожного каналу. Вбудований в систему збору даних цифровий таймер визначає темп перетворення АЦП.
Характерним прикладом системи збору даних є AD7581 (вітчизняний аналог - 572ПВ4), що містить 8-входовий аналоговий мультиплексор, 8-розрядний АЦП послідовного наближення, і запам'ятовуючий пристрій FIFO з організацією 8х8 біт. Інший приклад - AD1В60, що включає 8-входовий аналоговий мультиплексор, вимірювальний підсилювач з програмованим коефіцієнтом підсилення від 1 до 128, 16-розрядний АЦП на основі інтегруючого перетворювача напруга-частота (ПНЧ), ДОН, мікропроцесор, ОЗП режиму і ПЗП конфігурації. Однією з найбільш розвинених є система збору даних LM12458, яка містить 8-входовий аналоговий мультиплексор, ПВЗ, 13-розрядний АЦП послідовного наближення, пам'ять типу FIFO з організацією 32х16 біт, ОЗП команд і 16-бітний цифровий таймер.
Для підвищення швидкодії встановлення коефіцієнта передачі вибірка даних також може здійснюватися по кожному каналу індивідуально. Так, наприклад, 4-х канальна система збору даних AD7865 містить чотири кола масштабування вхідного сигналу і чотири пристрої стеження / зберігання, включені до мультиплексора.
Особливий клас пристроїв з аналого-цифровими перетворювачами являють собою мікроконвертори. Деякий час назад були спроби створення аналогових програмованих матриць, тобто пристроїв, що включають операційні підсилювачі та інші аналогові комірки, зв'язки між якими можна було встановити програмним шляхом. Ці спроби комерційного успіху не мали. Недавно деякі фірми, наприклад, Analog Devices, почали випуск програмованих пристроїв для перетворення аналогових сигналів, що включають багатоканальний АЦП, мікроконтролер і одно-або двоканальний цифро-аналоговий перетворювач (ЦАП). Такий мікроконвертор приймає аналогові сигнали, перетворює їх в цифрові коди, за програмою, записаною в ПЗП мікроконтролера, обробляє ці коди і за допомогою ЦАП знову перетворює результати в аналогові сигнали. Поступаючись чисто аналогової тільки у швидкодії, така схема відрізняється великою функціональною гнучкістю і точністю. Зокрема, мікроконвертор ADuC812 містить 8-канальний мультиплексор, ПВЗ, 12-розрядний АЦП послідовного наближення з продуктивністю 200 кПа, два 12-розрядних ЦАП і мікроконтролер з системою команд сімейства MCS-51.
Класифікація систем збору даних:
1. За способом сполучення з комп'ютером системи збору даних можна розділити на СЗД:
- на основі вбудованих плат збору даних зі стандартним системним інтерфейсом (найбільш поширений - інтерфейс PCI);
- на основі модулів збору даних із зовнішнім інтерфейсом (RS-232, RS-485, USB);
- виконані у вигляді крейта (магістрально-модульні СЗД) (КАМАК, VXI);
- Групи цифрових вимірювальних приладів (ЦВП) або інтелектуальних датчиків. Для їх організації застосовуються інтерфейси: GPIB (IEEE-488),1-wire, CAN, HART.
2. За способом отримання інформації СЗД діляться на:
- скануючі;
- мультиплексні (мультіплексорні, іноді їх називають «багатоточкові»);
- паралельні;
- мультипліковані.
Останній тип СЗД практично не використовується в силу своєї виключно низької швидкодії. Єдина переваг СЗД цього типу – відносна простота – повністю нівелюється сучасними технологіями виготовлення інтегральних схем.
Скануючий принцип побудови СЗД використовується там де треба виміряти поле розподілу параметрів: тепловізор, апарат УЗД, томограф використовують для отримання первинної інформації саме СЗД скануючого типу.
Паралельними системами збору даних слід вважати СЗД на основі так званих інтелектуальних датчиків (ІД), кожен ІД, по суті, одноканальна СЗД із спеціалізованим інтерфейсом. Історично ж першими паралельними СЗД були СЗД, де у кожного датчика «особистим» був тільки АЦП, а збір і обробка даних здійснювалася багатопроцесорною ЕОМ. В даний час для збору та обробки вимірювальної інформації, як правило, цілком вистачає обчислювальних характеристик «звичайної» ЕОМ. Паралельні системи поки ще не витісняють мультіплексорні, в силу своєї апаратурної надмірності. Однак у ряді випадків паралельний принцип привабливий: коли є недорогі готові ІД і недорогий канал зв'язку (наприклад система на інтерфейсі 1-Wire) або при невеликому числі каналів (випускаються зквартовані сигма-дельта АЦП) і т. п.
Мультиплексна (мультіплексорна) СЗД має на кожен вимірювальний канал індивідуальні засоби аналогової обробки сигналу і загальний для всіх каналів блок аналого-цифрового перетворення (крім самого АЦП в нього обов'язково входить «антіаліасінговий» ФНЧ, пристрій вибірки-зберігання, опціонально – схема захисту і схема формування знакового розряду). Найбільше поширення в даний час мають саме мультиплексні системи збору даних.
Спільно з персональною ЕОМ, оснащеною спеціалізованим програмним забезпеченням система збору даних утворює інформаційно-вимірювальну систему (ІВС). Попросту кажучи - це багатоканальний вимірювальний прилад з широкими можливостями обробки і аналізу даних. На основі ІВС можуть бути побудовані різні автоматизовані системи управління (АСУ), серед яких: Інформаційно-логічні комплекси (те, що називають ще АСУ технологічними процесами), Інформаційно-обчислювальні комплекси (Автоматизована система наукових досліджень), Інформаційно-діагностичні Комплекси та Інформаційно-контролюючі системи, які знаходять широке використання в бортовому обладнанні ЛА.