Лабник

3

Предисловие

Современные автоматизированные системы рассматриваются как совокупность технических средств и математических методов, обеспечивающих управление объектом автоматизации в соответствии с заданной целью. Любая автоматизированная система всегда должна решать две фундаментальные задачи: измерение сигналов с датчиков объекта автоматизации в реальном времени и генерацию реальных физических сигналов.

Цель лабораторного практикума – познакомить студентов с современными аппаратными средствами построения компонентов автоматизированных систем на основе ЭВМ семейства IBM PC, методикой проектирования каналов управления и измерения параметров объекта автоматизации.

Вкачестве устройства связи с объектом автоматизации, включающего большинство рассматриваемых аппаратных средств используется интерфейсная плата L-154, устанавливаемая непосредственно

всистемный блок ЭВМ. Преимущества такого способа объединения ЭВМ с устройствами связи с объектом автоматизации заключаются в возможности обработки представления и хранения экспериментальных данных.

Первый раздел посвящен знакомству с такими компонентами автоматизированных систем, как цифро-аналоговые и аналого-цифровые преобразователи, измерительные усилители и мультиплексоры аналоговых сигналов. На их основе строятся и каналы управления объектом и каналы измерения параметров объекта, исследуются возможности каналов и их предельные характеристики.

Во втором разделе рассматривается аппаратная реализация программируемого контроллера прерываний, мультипрограммный режим работы автоматизированной системы с прерыванием текущей программы процессора и возможности реакции системы на события, происходящие на объекте автоматизации.

Втретьем разделе изучается программируемый интервальный таймер – необходимый элемент при решении задач реального времени. Рассматриваются возможности программирования интервального таймера, и синхронизации операций реального времени в автоматизированной системе на основе ЭВМ.

4

Рис. 1.1. Функциональная схема АС на основе ЭВМ семейства IBM

Эволюция АЦП, ЦАП и других компонентов АС сделали встраиваемые платы ввода–вывода сигналов естественным выбором для многих применений.

Программная модель интерфейса включает 12 регистров, 2 из которых 12-разрядные, а остальные 10 – 8-разрядные. Начальный адрес интерфейса в области устройств ввода-вывода магистрали ЭВМ равен 0300h. Здесь и далее h указывает на шестнадцатеричную систему счисления. Адреса всех остальных регистров приводятся относительно начального.

1.2. Техническое описание и методика управления компонентами системы

Цифроаналоговый преобразователь (ЦАП) преобразует 12-

разрядный цифровой код, поступающий из ЭВМ, в аналоговый сигнал в виде напряжения. ЦАП может использоваться для вывода управляющих воздействий на исполнительные органы объекта автоматизации.

Технические характеристики ЦАП:

-диапазон изменения выходного сигнала UDAC = ± 5,12 В;

-разрешающая способность U = 2,5 мВ;

-максимальное время преобразования Tпр = 10 мкс.

Код n, записываемый в ЦАП, и напряжение U, на его выходе, связаны выражением: UDAC = U(n - 2048), (1.1) где n — целое число в диапазоне 0 – 4095.

Программная модель ЦАП включает регистр данных с относительным адресом равным 0. Процессор может писать данные в регистр данных ЦАП, которые преобразуются в аналоговый сигнал в соответствии с (1.1).

Быстродействие ЦАП выше быстродействия процессора и, следовательно, для управления им можно применить безусловный способ обмена данными. В любой момент времени ЦП может записать в ЦАП цифровой код и, тем самым, установить управляющее напряжение на его выходе.

Аналого-цифровой преобразователь (АЦП), предназначен для преобразования измеряемого напряжения U, зафиксированного во время выборки, в 12-разрядный параллельный код.

АЦП позволяет измерять мгновенное значение сигнала.

Вход АЦП соединяется с внешними сигналами объекта автоматизации через один из входов 32- (16) разрядного мультиплексора. На входы мультиплексора могут поступать сигналы с датчиков объекта, а выход мультиплексора соединен с входом АЦП через измерительный усилитель.

Технические характеристики модулей АЦП, усилитель, мультиплексор: - число двоичных разрядов кода АЦП n = 12;

6

- диапазоны измерения входного сигнала АЦП (устанавливаются программно с помощью усилителя)

UADC = 5,12 B, 2,56 В, 1,024 B; - разрешающая способность АЦП U = 2,5 мВ, 1,25 мВ, 0,5 мВ,

взависимости от диапазона измерения входного сигнала;

-максимальное время преобразования АЦП Tпр = 1,7 мкс;

-запуск АЦП программный по команде ЦП;

-входное сопротивление R = 2 МОм;

-время переключения канала мультиплексора Тмтп ≤ 4мкс. Напряжение на входе АЦП U и код n на выходе связаны соотношением:

UКВ - напряжение входного сигнала U, округленное АЦП;

n - цифровой код на выходе АЦП находится в диапазоне 0 – 4095. Максимальная погрешность измерения входного напряжения U от

Программная модель модулей АЦП, усилителя и мультиплексора включает 4 регистра:

- регистр данных АЦП; - регистр управления АЦП, усилителя и мультиплексора;

- регистр состояния АЦП и таймера; - регистр запуска АЦП.

Регистр данных 12-разрядный (относительный адрес 0) доступен ЦП для чтения. Разряды регистра данных D0 - D11 содержат код числа n, пропорциональный измеренному входному напряжению (1.2).

Регистр управления АЦП, усилителя и мультиплексора 8-и разрядный (относительный адрес + 2) предназначен для установки номера канала мультиплексора, режима подключения входных сигналов и диапазона их измерения. Регистр доступен ЦП для записи.

Формат регистра управления:

Назначение отдельных разрядов регистра управления.

–U2, U1 – диапазон измерения входного сигнала:

–1,1 – 5,12 В; 1,0 – 2,56 В, 0,1 – 1,024 В; 0,0 – запрещено.

–M32 – режим подключения сигнала на входе мультиплексора: М32=1 – 32-канальный режим с общей землей, М32=0 –16-канальный дифференциальный режим.

–С4 - С0 – номер канала мультиплексора, подключаемого к входу АЦП:

7

00000 – 1 канал, 00001 – 2 канал, …., 11111 – 32 канал.

При дифференциальном подключении входных сигналов С4=0. После переключения номера канала в мультиплексоре необходимо

организовать задержку на время переключения канала равную ~ 4мкс. Следует иметь в виду, что управление осуществляется одновременно

диапазоном измерения АЦП, режимом подключения входных сигналов и номером канала мультиплексора.

Регистр состояния 8-разрядный (относительный адрес + 2) указывает состояние АЦП и счетчиков таймера. Регистр доступен ЦП для чтения.

Формат регистра состояния:

После запуска АЦП бит состояние АЦП устанавливается в “1” на время выполнения преобразования и сбрасывается в “0” по окончании преобразования. При проверке готовности данных после запуска АЦП необходимо дождаться нулевого значения бита состояния.

Регистр запуска АЦП 8-разрядный (относительный адрес +4). ЦП регистр доступен для записи. Запись произвольного значения в указанный регистр запускает АЦП на выполнение измерения.

Методика измерения входного напряжения включает:

1)подключение выбранного канала мультиплексора к источнику сигнала;

2)установка номера канала мультиплексора, режима и диапазона измерения входного сигнала;

3)не ранее чем через 4 мкс после переключения канала мультиплексора запуск АЦП на измерение;

4)проверка завершения измерения и готовности данных для чтения;

5)чтение данных и преобразование полученного кода в напряжение UКВ. Для определения момента окончания измерения АЦП необходимо,

после запуска АЦП, проверять бит D3 регистра состояния.

1.3.Программная реализация методики управления устройствами

системы

Рассмотрим программные средства, реализующие методику управления в среде программирования Borland-PASCAL.

Установка на выходе ЦАП заданного напряжения U заключается в вычислении соответствующего ему кода (1.1), округления полученного значения до ближайшего целого числа и записи его в регистр данных ЦАП (адрес 300h).

Пример 1.1. Формирование на выходе ЦАП напряжения равного 1 В. var n: integer; Begin n := Round (1.0/0.0025 + 2048); PortW[$300]:=n; End.

8

Измерение напряжения на входе выбранного канала мультиплексора включает последовательность операций:

а) установка параметров работы АЦП, усилителя и мультиплексора —

запись в регистр управления (адрес 302h);

б) пауза не менее 4 мкс на время переключения мультиплексора; в) запуск АЦП на измерение — запись в регистр запуска АЦП произвольного значения (адрес 304h);

г) определение момента завершения измерения АЦП и готовности данных — чтение и анализ бита 3 регистра состояния (адрес 302h) до момента обнаружения готовности АЦП;

д) чтение регистра данных АЦП (адрес 300h) и вычисление величины UКВ из выражения (1.2).

Пример 1.2. Измерение напряжения в диапазоне 1 В на входе 16 канала мультиплексора при дифференциальном подключении входных сигналов.

var U: integer;

Procedure wait (i:word); {Обеспечивает задержку.} var j: word; begin for j:=1 to i do; end;

Begin Port[$302]:= $4F; {Установка канала мультиплексора, диапазона и режима измерения входного сигнала.}

Wait (?); {Параметр”?” процедуры Wait должен обеспечить задержку на время переключения мультиплексора ~ 4 мкс.}

Port[$304]:= $FF; {Запуск АЦП.}

Asm Nop End; {Временная задержка между двумя командами обращения к одному устройству для обеспечения надежного выполнения второй команды.}

While (Port[$302] and 8) <> 0 do;{Ожидание момента готовности данных.} U:= PortW[$300]; {Чтение данных из регистра данных АЦП.} writeln((U - 2048) * 0.5, '[mV]'); {Преобразование и вывод данных.}

End.

1.4.Порядок выполнения заданий лабораторной работы

1.Ознакомиться методикой программного обмена данными между ЭВМ и ВУ, принципами построения интерфейса программного обмена и техническими характеристиками аппаратных средств, обеспечивающих вывод аналоговых управляющих сигналов на объект или ввод в ЭВМ результатов измерений входных сигналов.

2.Разработать алгоритм и программу эксперимента.

3.Ввести в ЭВМ и отладить программу экспериментальных исследований, в соответствии с заданием.

4.Собрать схему проведения эксперимента и провести необходимые

9

исследования.

5. Представить отчет о результатах всех этапов работы и экспериментальные данные.

1.5.Задание № 1. Безусловный обмен данными

1.Ознакомиться с техническими характеристиками ЦАП и методикой его программирования.

2.Разработать алгоритм и программу генерации произвольного числа периодов периодического аналогового сигнала с заданными амплитудными характеристиками (указываются преподавателем из таблицы 1.1.). Для получения максимальной частоты генерации выходного сигнала ЦАП следует до начала эксперимента рассчитать мгновенные значения сигнала на интервале равном одному периоду.

3.Соединить выход ЦАП с входом “У” осциллографа и с помощью осциллографа: проконтролировать соответствие установленных амплитудных характеристик сигнала и наблюдаемых значений. Определить интервал вывода отдельных значений T и значение частоты сигнала f.

4.В цикл генерации указанного сигнала вставить вычислительную процедуру (wait) и, с помощью осциллографа, определить время ее выполнения в зависимости от значений входного параметра (10, 20, 50,

100, 200, 500, 1000).

1.6. Задание № 2. Обмен данными по готовности внешнего устройства

1.Ознакомиться с техническими характеристиками аппаратных средств (АЦП, измерительный усилитель, мультиплексор аналоговых сигналов), обеспечивающих ввод в ЭВМ аналоговых сигналов с объекта автоматизации.

2.Разработать алгоритм и программы:

-установки на выходе ЦАП напряжений в заданном диапазоне и с дискретностью указанными преподавателем из табл. 1.2;

-измерения напряжений на входе АЦП по готовности, преобразования

кодов АЦП в напряжение Uкв. и сохранения полученных данных на диске (предусмотреть возможность установки диапазона измерения АЦП, режима подключения входного сигнала и номера канала мультиплексора).

3.Выход ЦАП соединить с входом мультиплексора (указывается преподавателем из табл. 1.2).

4.Измерить напряжения на выходе ЦАП и сравнить значения устанавливаемые (в ЦАП) и измеренные (АЦП) напряжения.

5.Определить среднее и максимальное расхождения генерируемого и измеренного значений напряжения.

10

1.7.Контрольные вопросы

1.Укажите диапазон значений кодов, которые могут быть преобразованы

внапряжения модулем ЦАП и диапазон соответствующих им напряжений. Какие коды соответствуют напряжениям –5 В, –4 В, –3 В, –2 В, –1 В, 0 В, 1 В, 2 В, 3 В, 4 В, 5 В?

2.Какое напряжение установится на выходе ЦАП, если в него записать код равный 0, 448, 1647, 4048, 4095? Какой будет абсолютная погрешность установки выходного сигнала за счет квантования по уровню при попытке установить на выходе модуля ЦАП напряжения 0.998В, 0.999В, 1.000В, 1.001В, 1.002В? Какова возможная максимальная абсолютная погрешность установки напряжения на выходе ЦАП за счет квантования по уровню?

3.Разработайте фрагмент программы последовательного вывода на объект автоматизации из модуля ЦАП по команде оператора значений напряжений –5, -4, -3, -2, -1, 0, 1, 2, 3, 4, 5В. Проконтролируйте результаты работы программы с помощью осциллографа.

4.Разработайте фрагмент программы генерации на выходе ЦАП значений напряжений + 5В, 0В, – 5В с интервалом ~ 10мкс. Соединить выход ЦАП с входом вертикальной развертки осциллографа и с помощью осциллографа измерить время переходного процесса сигнала на выходе ЦАП.

5.Какой командой процессор может записать слово данных в модуль ЦАП при безусловном способе обмена данными? Как изменится команда вывода данных в модуль, у которого слово данных имеет длину 1, 3 или 4 байта?

6.Какие команды необходимо подать в модули АЦП, усилитель,

мультиплексор для измерения входного сигнала в диапазоне 1В, при его дифференциальном подключении к 16-му каналу мультиплексора. Какова максимальная абсолютная погрешность измерения указанного входного сигнала от влияния квантования по уровню и время переключения канала мультиплексора?

7. Какова последовательность команд ввода данных в ЭВМ из модуля АЦП? Как изменится алгоритм ввода данных из модуля, у которого слово данных имеет длину 1, 3 или 4 байта?

8. Объясните методику проверки готовности и обслуживания нескольких устройств, подключенных к одному интерфейсу программного обмена данными. Готовность устройств можно определить путем чтения регистра состояния устройств и анализом их флагов готовности.

Библиографический список

1. ЗАО «Л-КАРД». Плата L-154. Техническое описание и инструкция по эксплуатации. ДЛИЖ.411618.003 ТО, 2003. 43с.

11

12