Розділ 3 сучасні технології та системи збору даних та узгодження сигналів
3.1. Сучасні технології збору даних
Поряд із сучасними системами збору даних розробниками фірми National Instruments застосовуються наступні прогресивні технології збору даних:
Ланцюги захисту від температурного дрейфу. Багатофункціональні пристрої збору даних, такі як NI РСI-6052Е, зводять вплив температурних коливань на результати вимірювань до мінімуму - менше ніж 1,5 мВ на діапазоні ± 10 В, навіть при нагріванні до 50 ºС.
Технології підвищення роздільної здатності. Багатофункціональні пристрої збору даних М серії NI РСI-628х, можуть зафіксувати зміну сигналу в 800 нВ на діапазоні в 100 мВ.
Вбудоване самокалібрування. Багатофункціональні пристрої збору даних, такі як плати М серії, завдяки вбудованим високостабільним джерелам опорних сигналів, вимагають повторного калібрування не частіше, ніж один раз на два роки.
Підсилювачі. У всіх багатофункціональних пристроях збору даних для мінімізації перехресного впливу каналів при скануванні аналогових входів використовуються спеціальні поканально налаштовувані підсилювачі.
Високоякісні АЦП і ЦАП. У багатофункціональних пристроях збору даних використовуються найкращі комерційні АЦП і ЦАП, нелінійність яких складає 3 і менше молодших розрядів в залежності від моделі.
Схеми синхронізації. NI DAQ-STC2 керує синхронізацією різних вузлів пристрою збору даних і взаємодією окремих плат. Точність NI DAQ-STC2 становить 12.5 нс.
Використання функцій прямого доступу до пам’яті. Новітні пристрої збору даних М серії використовують до 6 каналів прямого доступу в пам'ять (DMA) для
забезпечення високопродуктивної передачі даних при паралельному виконанні аналогового і цифрового вводу/виводу і роботі з двома лічильниками/таймерами
3.2. Системи збору даних і узгодження сигналів
Яскравими представниками сучасних систем збору даних можна вважати однокристальні СЗД ADuC812 та ADuC824 виробництва фірми Analog Devises.
ADUC812 - повністю інтегрована 12 бітна система збору даних, що містить в одному кристалі високоякісний багатоканальний АЦП з самокалібруванням, подвійний ЦАП і програмований 8 бітний мікроконтролер (сумісний з 8051 системою команд).
Рисунок 3.1. – Функціональна схема ADuC812
Робота програмованого 8051 сумісного ядра забезпечується за рахунок вбудованих 8Кб Flash/EEPROM пам'яті програми, 640 байтної Flash/EEPROM пам'яті даних і 256 байтного ОЗП.
Крім того, мікроконтролер містить таймер WATCHDOG, схему спостереження за напругою живлення і DMA контролер для передачі даних від АЦП. Тридцять дві програмованих лінії вводу-виводу, I2C, SPI і UART – сумісні послідовні порти вводу-виводу дозволяють реалізовувати інтерфейси з мікроконтролерами і різними приладами.
Нормальний режим, режим зупинки і режим відключення як ядра мікроконтролера, так і аналогового інтерфейсу дозволяють знизити споживання енергії приладом і використовувати його в пристроях з автономним живленням. Прилад може працювати від 3 В та 5 В джерела живлення, має індустріальний робочий температурний діапазон і випускається в 52 вивідних пластикових QFP корпусах і у вигляді 52 вивідних безкорпусних приладів.
Основні параметри:
ЦПУ: Ядро – MCS-51, MIPS – 1.3, частота – від 1 до 16 МГц;
Пам'ять: Flash – 8 КБайт, RAM – 0.25 КБайт, EEPROM – 0.64 КБайт;
Таймери: 16-бит – 3 шт.;
Інтерфейси: UART, SPI, I2C;
Аналогові входи: Розрядів АЦП – 12 біт, Каналів АЦП – 8 шт., швидкодія АЦП – 200 kbps, розрядів ЦАП – 12 біт, каналів ЦАП – 2 шт.;
Напруга живлення – від 2.7 до 5.5 В;
Струм живлення – 25 мА;
Температура – від -40 до 85 °C;
Корпус – MQFP-52 LFCSP-56.
ADuC824 - закінчений інтелектуальний перетворювач, що містить два сигма-дельта АЦП з високою роздільною здатністю, 8 бітний μС і FLASH/EEPROM пам'ять програми/даних. Цей прилад із низьким споживанням може безпосередньо приймати від перетворювачів низькорівневі сигнали.
Два незалежних АЦП приладу (головний і допоміжний) містять температурний датчик і ППКП (що дозволяє безпосередньо приймати низькорівневі сигнали). АЦП з вбудованими цифровими фільтрами призначені для вимірювання сигналів з широким динамічним діапазоном і низькою частотою, таких як сигнали від датчиків електронних ваг, вимірювачів напруженості, перетворювачів тиску або температури. Швидкість вихідного потоку даних АЦП може програмуватися, а роздільна здатність АЦП залежить від швидкості потоку даних і коефіцієнта посилення.
Рисунок 3.2 – Функціональна схема ADuC824
Прилад працює від вбудованого 32 кГц генератора, частота якого за допомогою системи ФАПЧ підвищується до 12,58 МГц. Ця частота надходить на програмований дільник для формування синхросигналу вбудованого мікропроцесора. Мікроконтролер містить 8052 ядро, будучи, таким чином, сумісним з 8051 системою команд. Машинний цикл ядра дорівнює 12 тактовим циклам. Прилад містить 8 КБ програмної енергонезалежної FLASH/EEPROM пам'яті, 640 байт FLASH/EEPROM пам'яті даних і 256 байтного ОЗУ.
Прилад може виконувати додаткові аналогові функції за допомогою вбудованих 12 бітного ЦАП, джерел струму, схеми стеження за напругою живлення і ДОН. Вбудована цифрова периферія містить таймер WATCHDOG, таймер часових інтервалів, три таймера/лічильника і три послідовних (I2C, SPI і UART-сумісних) порти.
Вбудоване при виробництві програмне забезпечення дозволяє реалізувати завантаження і налагодження програми (через UART), а також режим емуляції через вивід nonEA.
Прилад може працювати від 3 В або 5 В джерела живлення. При роботі від 3 В джерела живлення прилад споживає менше 10 мВт. Прилад випускається в 52 вивідному MQFP корпусі.
Відмінні риси:
1. Сигма-дельта АЦП з високою роздільною здатністю.
2. Пам'ять:
• 8 КБ Flash/EEPROM пам'яті програми;
• 640 байтна Flash/EEPROM пам'яті даних;
• Flash/EEPROM пам'ять з часом зберігання понад 100 років і кількістю циклів перезапису більш 100 000;
• 256 байтне ОЗУ.
3. 8051 сумісне ядро:
• Сумісне з системою команд 8051 (максимальна частота 12,58 МГц);
• 32 кГц вбудований генератор з програмованою системою ФАПЧ;
• 3 16 бітних таймера/лічильника;
• 26 програмованих ліній введення-виведення;
• 11 джерел переривання з 2 рівнями пріоритету.
4. Живлення:
• Однополярне живлення 3 В або 5 В;
• Споживання в норм. режимі при 3В живленні на частоті 1,5МГц - 3мА;
• Споживання в режимі відкол. (живлення 3В, частота 32кГц) - 20мкА.
5. Вбудовані периферійні модулі:
• Вбудований температурний датчик;
• 12 бітний ЦАП з потенційним виходом;
• Подвійне джерело струму;
• Детектор опорної напруги;
• Таймер часових інтервалів (TЧІ);
• UART послідовний порт;
• SPI/I2C сумісний послідовний порт;
• Таймер WATCHDOG і схема стеження за напругою живлення (PSM).
Гідними конкурентами розглянутих приладів виступають сучасні СЗД розробки фірми BurrBrown: USB 6008/6009 та NI M Series.
Рисунок 3.3 – Зовнішній вигляд NI USB 6008 у готовому вигляді та без корпусу, у вигляді плати
USB 6008/6009 – компактна та швидкодіюча система збору даних, складовими елементами якої є:
• 8 каналів аналогового вводу, роздільна здатність 12 або 14 біт, частота оцифровки до 48 кГц
• Гвинтові термінали для підключення датчиків;
• Швидке plug-and-play підключення до комп'ютера;
• Драйвери для операційних систем Windows, Mac OS X і Linux;
• Багатофункціональне введення/виведення для проведення збору та збереження даних;
• Живлення через шину USB;
• Безкоштовне ПЗ для збору та збереження даних;
В багатофункціональних пристроях збору даних М-серії такі необхідні якості, як швидкодія, висока точність та надійність, значна продуктивність, та при цьому порівняно низька вартість досягаються за рахунок впровадження новітніх технологій NI-STC 2, NI-NCal та NI-PGIA 2.
Ядром пристроїв М-серії є контролер тактування та синхронізації NI-STC 2, який припускає одночасне використання до шести різноманітних операцій із загальною продуктивністю, що в 5 разів вища, порівняно із попередніми продуктами фірми. В цих платах реалізовано також якісно нове апаратне рішення, що дозволяє проводити калібрування в кожному з діапазонів вхідних сигналів, що забезпечує 5-кратне підвищення точності перетворення та збільшило рекомендований інтервал між калібруваннями до двох років. Застосування сімейства програмованих інструментальних підсилювачів NI-PGIA 2, забезпечує менший час встановлення та високу точність аналого-цифрового.
Рисунок 3.4 – Зовнішній вигляд плати NI M Series
Плати збору даних М серії мають наступні технічні характеристики:
До 32 аналогових входів, 4 виходів і 48 цифрових ліній;
Роздільна здатність до 18 розрядів;
Програмований вхідний діапазон;
Аналоговий вивід до 2.8 МГц (16 розрядів);
Високошвидкісне (до 10 МГц) введення/виведення цифрових сигналів;
В 5 разів покращена точність вимірювань за рахунок можливості нелінійного калібрування у всіх діапазонах;
Повна підтримка LabVIEW та інструментального драйвера NI-DAQmx.