Застосування мікропроцесорів у контрольно-вимірювальній апаратурі та апаратурі реєстрації

Мікропроцесори, МПП і МПС є органічною частиною сучасної контрольно-вимірювальної апаратури. Введення у вимірювальний прилад МПП і МПС забезпечило багато-функціональність, значне підвищення точності, спрощен­ня та полегшення керування, гнучкість, самокалібровку, економічність, мініатюрність конструкції. Крім того, зас­тосування МП дало змогу автоматизувати процес статис­тичної обробки результатів і вимірювань. З'явились пов­ністю автоматизовані програмнокеровані прилади, ком­плекси і системи, які значно підвищили продуктивність праці й дали можливість розв'язувати найскладніші задачі.

Залежно від типу вимірювального приладу і застосова­ного МП обирають різну його структуру. Застосування МП і мікроЕОМ перетворює вимірювальні прилади на «інте­лектуальні» пристрої, які виконують математичну оброб­ку вимірюваної інформації та подають її в найзручнішому для сприймання вигляді.

Крім задач математичної обробки вимірюваних пара­метрів МП виконує функції керуючого пристрою. Він здійснює підключення необхідних пристроїв приладів, прийом командних сигналів, передачу даних та ін. Вимі­рювальний прилад може мати кілька МП, кожний з яких виконує певні функції, зокрема один з них функції керу­вання, інші — обробку інформації.

У приладах для вимірювання електричних і неелектричних величин МП виконують такі функції:

1) автоматичне встановлення меж вимірювання, ко­рекція адитивних та мультиплікативних похибок; автоматичне керування процесом зрівноважування в приладах порівняння постійного та змінного струмів;

2. первинна обробка даних, зокрема визначення відхи­лень від номінальних значень та моментів наближення до граничних умов, обчислення відношень максимуму-міні-муму, іменованих значень відрахунків, множення і ділен­ня на константи;

4) статистична обробка даних: визначення середніх значень контрольованих величин за певні інтервали часу, обчислення варіацій, дисперсій, середніх квадратичних значень таін.;

5. обробка даних за спрощеними алгоритмами (визна­чення контрольованих параметрів тощо);

6. обробка даних за алгоритмами, що реалізують метод вимірювання (визначення параметрів об'єкта на основі спектрального аналізу сигналів та ін.);

7. реєстрація даних у буферних реєстраторах, керуван­ня частотою відліків, раціональне використання буферної пам'яті, підготовка даних до передачі в блоки основної ре­єстрації;

8. візуалізація і реєстрація даних на осцилографах і дисплеях: керування процесом візуалізації, організація пам'яті, формування знаків, керування кольором, форму­вання маркерних міток та ін.;

9) діагностування функціональних вузлів приладів: визначення справності основних вузлів перед початком вимірювання, організація тестового контролю та індика­ція несправностей;

10. керування роботою вузлів, що виконують окремі функції вимірювальних перетворень, зокрема роботою АЦПтаін.;

11. повне керування процесом вимірювання за зада­ною програмою, в тому числі керування зовнішніми бло­ками, додатковими пристроями (перемикачами, мікро-двигунами та ін.), для приладів, які вимірюють неелек-тричні величини.

У вимірювальному комплексі МІГ використовують та­кож для зв'язку приладів у єдину систему, кодування та декодування інформації, що передається каналами зв'яз­ку, підвищення надійності системи шляхом захисту да­них від похибок, стиснення даних та інших задач, прита­манних інформаційно-вимірювальним системам.

Відповідно до функцій МП у вимірювальних приладах їх поділяють на такі засоби вимірювань:

1) багатодіапазонні вольтамперомметри, вольтметри з мікропроцесорним керуванням процесом вимірювання, автоматичною корекцією похибок і програмною обробкою результатів вимірювань;

2. реєструючі прилади з аналого-цифровим перетво­ренням і збереженням даних, з керованим процесом візуа-лізації даних;

3. перетворювачі (датчики) неелектричних величин з пристроями корекції похибок, перетворенням виду сигна­лів таін.;

4. прилади для вимірювань неелектричних величин з обробкою даних за певними алгоритмами (кореляційні витратоміри та ін.);

5. прилади для вимірювань неелектричних величин, які містять комплекс допоміжних елементів і пристроїв (хроматографи, ваговимірювальні прилади та ін.).

Коли вимірювальні прилади є окремими пристроями, не пов'язаними з інформаційно-вимірювальною систе­мою, МП і мікроЕОМ забезпечують весь комплекс обробки інформації. Якщо ж прилад є складовою інформаційно-вимірювальної системи, то МП здійснює або повну оброб­ку інформації, або попередню обробку даних. Повна оброб­ка інформації в такому разі здійснюється обчислюваль­ною складовою інформаційно-вимірювальної системи.

Кожний прилад інформаційно-вимірювальної системи виконує певні функції: а) формування сигналу вимірю­вальної інформації; б) програмне керування; в) запит на обслуговування пристрою; г) спряження з іншими прис­троями та ін.

Формування сигналу вимірювальної інформації — одна з основних функцій, що зумовлює призначення приладу. Вона містить всі процедури вимірювання: перетворення вимірюваного сигналу (підсилення, послаблення), відтво­рення одиниці; приведення досліджуваного сигналу до вигляду, зручного для порівняння; порівняння сигналу з одиницею; фіксацію результату порівняння; відображен­ня результату вимірювання, запам'ятовування його, ста­тистичну обробку.

Програмне керування приладу полягає у виконанні програми, що зберігається в ПЗП або ОЗП МПП чи МПС. Запит на обслуговування є повідомленням системі про стан приладу. Визначаються готовність до початку робо­ти, наявність несправностей, помилкових вимірювань. Спряження з іншими пристроями передбачає спряження вимірювального приладу з МПС.

Найпоширенішими пристроями контрольно-вимірю­вальних приладів є комутатор, підсилювач, фіксатор. Комутатори призначені для приймання сигналів, що надхо­дять від датчиків, підсилювачі — для підсилення вхідного сигналу до рівня шкали на вході аналого-цифрового пере­творювача. Такими пристроями можуть бути двокаскадні операційні підсилювачі на одному кристалі. Коефіцієнт підсилення повинен змінюватися поступово, ступенево, шляхом задання керуючого слова з МПП. Можна встанов­лювати свій коефіцієнт підсилення і шкалу для кожної змінної. Фіксатори призначені для зберігання стабільності сигналу протягом всього періоду цифрового перетворення.

Застосування МП, як зазначалося вище, вигідне не тіль­ки в інформаційно-вимірювальних системах, а й у деяких цифрових вимірювальних приладах, зокрема в приладах, призначених для вимірювання різноманітних фізичних ве­личин (цифрові мультиметри (ЦМ) та ін.). Використання мікропроцесорів у ЦМ дає змогу будувати прості та надійні блоки керування. Зміна алгоритму роботи приладу здій­снюється шляхом заміни ділянки ЗП, в якій зберігається програма вимірювання необхідної фізичної величини.

На мікропроцесори в ЦМ покладаються такі функції: керування роботою перетворювачів різноманітних фізич­них величин у постійний струм (або в код); автоматичний вибір меж вимірювання; керування приладовим інтерфей­сом; керування індикатором; діагностування основних вузлів ЦМ та ін.

Застосування у вимірювальній техніці МП і мікроЕОМ дало змогу створити новий клас цифрових програмованих багатоканальних вимірювальних приладів, які отримали за рубежем назву логерів (реєстратори даних). Вони спро­можні з високою швидкістю здійснювати перетворення, об­робку і відображення масивів аналогової та цифрової інфор­мації. Основними пристроями логера є комутатори, АЦП, МП або мікроЕОМ, ОЗП, ПЗП і ППЗП, цифровий засіб ві­дображення інформації, пульт оператора і модулі спряжен­ня. Логери побудовані за блочно-модульним принципом, що дає змогу вводити до їх складу вхідні та вихідні модулі в необхідній кількості й у будь-який момент часу. Логери вміщують від 16 до 100 вимірювальних каналів. За допомо­гою зовнішніх розширювачів кількість каналів може бути збільшена до 1000. Канали опитуються послідовно. Швид­кість опитування може програмуватися в широких межах.

Роботою логера керує МП. До програми обробки вимі­рювальної інформації належать операції масштабування, лінеаризації характеристик датчиків, обчислення екстре­мальних та середніх значень, порівняння з еталонними значеннями, а також стиснення даних, що передаються в центральну ЕОМ. Обробка вимірювальної інформації здій­снюється в реальному масштабі часу. В програму може бу­ти введена також автокалібровка вимірювальних ланцю­гів, яка дає змогу істотно збільшити точність вимірюван­ня. Передбачається можливість самоконтролю основних функціональних вузлів. Як вбудовані засоби відображення і реєстрації використовуються 3—5-розрядні цифрові інди­катори, відеодисплеї, друкуючі пристрої. Введення прог­рами здійснюється з пульта оператора або із зовнішніх за­пам'ятовуючих пристроїв.

Керування логером при автономній роботі здійснюєть­ся з пульта оператора, а при введені до складу системи — від центрального процесора. За широтою вимірювальних та функціональних можливостей логери наближаються до мініатюрних локальних систем збирання та аналізу вимі­рювальної інформації.

Прикладом є логер типу ОКІОМ (Англія), призначений для роботи з термопарами, термометрами опору, тензо- та оптоелектронними та іншими вимірювальними перетво­рювачами. Вимірювані сигнали можуть бути у вигляді по­стійних або змінних напруг і струмів, часових інтервалів, частоти, кількості імпульсів. Кількість вимірювальних каналів дорівнює 200 і може бути збільшена до 600. Логер побудований на двох МП.

За результатами математичної обробки здійснюються допусковий контроль вимірюваних величин та аварійна сигналізація у випадку виходу параметра за задані межі.

Вміщені в логері пристрої спряження забезпечують виведення інформації на стандартні периферійні пристрої та зовнішню ЕОМ.