3. Системы сбора и распределения данных
При применении микропроцессоров и микро-ЭВМ для управления и контроля сложными производственными процессами необходимо обрабатывать в реальном масштабе времени сигналы, поступающие одновременно от многих источников и датчиков. При этом возникает задача аналого-цифрового и цифроаналогового преобразования многоканальной информации, имеющей различные характеристики сигналов отдельных каналов, а именно: динамического диапазона изменения, уровня помех, частотного спектра и т.д. Поэтому необходима нормализация сигналов различных датчиков.
Устройства, осуществляющие нормализацию и аналого-цифровое преобразование сигналов с последующим вводом информации микроЭВМ, называют системами сбора данных (ССД), а устройства, обеспечивающие восстановление аналоговой информации с выхода микроЭВМ, — системами распределения данных (СРД).
Одной из основных задач ССД является улучшение качества сигналов, поступающих от датчиков. Качество сигнала в наиболее компактной форме выражается в виде отношения сигнал/шум в тракте от аналогового входа до цифрового выхода АЦП. Это отношение является универсальным показателем, позволяющим оценить характеристику ССД, основной задачей которой является получение такого соотношения сигнал/шум в каждом канале ССД, которое обеспечило бы требуемую точность преобразования и длину слова на входе микроЭВМ. Использование многоразрядного АЦП оправдано только тогда, когда обеспечивается достаточное отношение сигнал/шум на входе преобразователя, иначе младшие разряды АЦП бесполезны, так как воспроизводят лишь помехи.
Широко распространены структуры ССД с мультиплексированием аналоговых и цифровых сигналов, позволяющие обеспечить высокую производительность и качество преобразования.
Структурная схема ССД с мультиплексированием аналоговых сигналов представлена на рис. 3. В состав схемы нормализации ССД обычно входят операционные усилители, фильтры нижних частот для улучшения качества сигналов (увеличения отношения сигнал/шум) и масштабирования, т.е. согласования максимального уровня сигналов с напряжением полной шкалы АЦП. Частоту среза фильтров нижних частот устанавливают из условия сохранения частотного спектра полезных сигналов. Использование фильтров нижних частот защищает АЦП от шумов с частотой выше самой высокой информативной составляющей сигнала.
В рассматриваемой схеме используется один АЦП с УВХ, работающий совместно с аналоговым мультиплексором, который преобразует многоканальную информацию в одноканальную и подает ее последовательно на АЦП, откуда она, соответствующим образом сформированная, поступает на микроЭВМ. Высокая производительность такой ССД достигается совмещением коммутации очередного канала данных с преобразованием в АЦП информации из предыдущего канала. Эти системы называются последовательными.
Рисунок 3 - Структурная схема ССД с мультиплексированием аналоговых сигналов
При использовании параллельного преобразования мультиплексирование перенесено из аналоговой в цифровую область. Структурная схема ССД с мультиплексированием цифровых сигналов представлена на рис. 4.
Рисунок 4 - Структурная схема ССД с мультиплексированием цифровых сигналов
Преимущества таких схем заключаются в возможности использования менее быстродействующих и дешевых АЦП. Кроме того, данная схема может работать и без УВХ, что наряду с отсутствием аналогового мультиплексора позволяет свести к минимуму искажения входного сигнала. Отметим, что при значительном удалении источников сигналов друг от друга параллельные ССД обеспечивают высокую помехозащищенность, так как в них используются цифровые каналы связи (при аналого-цифровом преобразовании сигналов непосредственно на выходе датчиков). Это, в частности, позволяет более рационально использовать ЭВМ, разгрузив ее от обработки избыточной информации с помощью соответствующих логических схем (см. рис. 3,4), размещаемых на передающей стороне и осуществляющих сжатие информации.
Сжатие - это сокращение
объема данных, передаваемых по каналу
связи или вводимых в память, за счет
уменьшения избыточности. Суть ее
заключается в сопоставлении результатов
аналого-цифрового преобразования
в последовательные дискретные моменты
времени
,
I =
1,2,... с результатом преобразования
,
в некоторый момент времени
.
Это значение
является существенным (неизбыточным)
значением преобразуемого сигнала, так
как в свое время (в момент времени
)
оно было передано в канал связи и записано
в память ЭВМ. Логическая схема осуществляет
контроль результатов сравнения
с
:
|,
, (1)
где
выбирается
равным нескольким единицам младшего
разряда кода.
Если условие (1) выполняется, то текущее значение цифрового кода Nti считается избыточным (несущественным), так как оно мало отличается от предыдущего существенного значения. Это значение сигнала в канал связи не передается. Вместо Nti ЭВМ использует старое значение сигнала Nt0.
Если условие (1) не выполняется, то данное значение сигнала Nti считается существенным, оно считывается в память ЭВМ и последующие дискретные значения сигнала будут уже сопоставляться с этим значением. Такой подход позволяет в несколько раз уменьшить поток информации, передаваемой в канал связи и считываемой в ЭВМ.
Нетрудно убедиться, что в ССД с аналоговым мультиплексированием предварительная обработка с целью устранения информационной избыточности невозможна. В ряде случаев в состав ССД могут входить микропроцессоры, позволяющие существенно расширить их функциональные возможности.
Распределение данных на выходе микропроцессора или микроЭВМ вызывает обычно меньше проблем, чем сбор данных. СРД также строятся по двум различным схемам: с распределением данных в цифровой форме с использованием в каждом канале ЦАП (рис. 5) и в аналоговой форме с использованием нескольких УВХ (рис. 6).
Более предпочтительны СРД с распределением в цифровой форме. Информация в них может храниться долго и не требовать коррекции. Время смены информации мало и зависит от быстродействия ЦАП, влияние дрейфовых параметров может быть сведено к минимуму. Недостаток указанной схемы состоит в том, что цифроаналоговое преобразование способствует появлению в восстановленном сигнале гармоник, которых не было в исходном сигнале. Для борьбы с ними используют фильтры низких частот.
Рисунок 5 - Структурная схема СРД с распределением данных в цифровой форме
Рисунок 6 - Структурная схема СРД с распределением данных в аналоговой форме