Связь через последовательный порт

Другим популярным средством обмена информацией является последовательный интерфейс. С помощью этого интерфейса осуществляется передача данных между компьютерами или связь компьютера с периферийным устройством типа программируемого прибора путем использования встроенного последовательного порта (стандарты RS-232 и RS-422). При последовательном соединении передатчик посылает 1 бит информации за единицу времени через единственную линию связи на приемник. Этим методом можно пользоваться, когда скорость передачи данных невелика или когда необходимо передать информацию на большие расстояния. Данный метод является более медленным и менее надежным по сравнению с КОП, но в этом случае не нужна плата-контроллер в компьютере и прибору не требуется совместимость со стандартом IEEE 488.

Последовательная связь весьма удобна, поскольку большинство персональных компьютеров имеют один или два встроенных последовательных порта, позволяющих посылать и получать данные без приобретения какой-либо специальной аппаратной части.

Хотя в настоящее время большинство компьютеров имеют также встроенные порты универсальной последовательной шины (Universal Serial Bus - USB), протокол обмена по этой шине является более сложным и ориентирован на работу с периферийными устройствами компьютера, а не на связь. Последовательный протокол (RS-232, 422 и 485) считается устаревшим по сравнению с USB, но по-прежнему широко используется во многих промышленных устройствах.

Большинство приборов с КОП также имеют встроенные последовательные порты. Однако, в отличие от КОП, к последовательному порту можно подключить лишь одно устройство, что ограничивает его применимость для многих задач. Серьезным недостатком связи через последовательный порт является очень маленькая скорость и отсутствие возможностей проверки ошибок. Но последовательная связь имеет свою сферу применения (в силу простоты и дешевизны). Если имеется кабель и устройство с последовательным портом, значит, есть все необходимое для создания системы последовательной связи.

Классификация сигналов по способу передачи информации.

Специалисты часто сводят классификацию цифровых сигналов к двум видам, а аналоговых - к трем. Два вида цифровых сигналов - это сигнал перехода от высокого (on) к низкому (off) уровню (или наоборот) и сигнал в виде серии импульсов.

Три вида аналоговых сигналов представлены постоянным сигналом, переменным сигналом во временной области (time domain) и переменным сигналом в частотной области (frequency domain).

Рис. Виды сигналов

Все эти виды сигналов по-своему уникальны в плане передачи информации. Пять видов сигнала соответствуют пяти основным видам информации, переносимой ими: состояние, скорость, уровень, форма и частотный спектр.

Цифровые сигналы

Первым типом цифрового сигнала является сигнал on-off, или сигнал состояния (state), который передает информацию о цифровом уровне. Таким образом, необходимым прибором для измерения этого типа сигнала служит простой цифровой детектор. Выход транзисторно-транзисторной логической (TTL) схемы можно рассматривать как пример цифрового сигнала состояния. Другим примером является работа светодиода.

Второй вид цифрового сигнала - это серия импульсов или сигнал, пропорциональный скорости (rate). Сигнал состоит из последовательности переходов из одного состояния в другое. Информация заключена в количестве переходов, скорости, с которой меняются состояния, или времени между одним или несколькими переходами из одного состояния в другое.

Выходной сигнал оптического кодировщика, установленного на валу двигателя, является примером сигнала, состоящего из серии импульсов. В некоторых случаях для того, чтобы приборы работали, на их вход необходимо подать цифровой сигнал. Например, скорость вращения и положение ротора шагового двигателя управляется последовательностью цифровых импульсов.

Аналоговые уровневые сигналы

Аналоговыми уровневыми сигналами называются статические или медленно меняющиеся аналоговые сигналы. Наиболее важной характеристикой этого сигнала является уровень или амплитуда, которые несут информацию в данный момент времени. Поскольку аналоговый сигнал такого вида меняется медленно, то точность измеряемого уровня представляет больший интерес, чем время или скорость, при которой осуществляется измерение. Прибор или плата ввода/вывода, которая измеряет сигналы постоянного тока, действует как аналого-цифровой преобразователь, который преобразует аналоговый электрический сигнал в цифровое значение, используемое в компьютере.

Уровневыми сигналами могут быть температура, напряжение батареи, давление и статические нагрузки. В каждом случае система сбора данных отслеживает сигнал и возвращает одно значение, отображающее его

амплитуду в данный момент времени. Таким образом, для этих сигналов достаточно элементов отображения типа числовых индикаторов, манометров

и разверток осциллограмм.

Система сбора данных должна обладать следующими характеристиками при подаче на нее аналоговых уровневых сигналов:

• высокой точностью/разрешающей способностью - для точного измерения уровня сигнала;

• полосой пропускания в нижней части спектра - для измерения сигнала

при низкой частоте выборки (синхронизация программного обеспечения должна быть достаточной).

Переменные аналоговые сигналы во временной области

Аналоговые сигналы во временной области отличаются от других сигналов тем, что их полезная информация заключена не только в уровне сигнала, но и в изменении этого сигнала во времени. При измерении сигнала такого типа (его часто называют осциллограммой) интерес представляют такие характеристики его формы, как крутизна, местоположение и форма пиков и т.д.

Для измерения формы осциллограммы нужно использовать жестко синхронизированную по времени последовательность отдельных измерений амплитуд. Эти измерения должны быть сделаны с частотой, позволяющей адекватно воспроизвести форму осциллограммы. Кроме того, последовательность измерений надо начать в строго определенное время, чтобы гарантированно получить полезную часть сигнала.

Таким образом, прибор или встроенная плата ввода/вывода, измеряющие сигналы подобного типа, должны состоять из аналого-цифрового преобразователя, таймера и триггера. Таймер точно регистрирует преобразование аналогового сигнала в цифровой. При получении необходимого количества выборок триггер запускает измерение в установленное время в соответствии с некоторым внешним условием.

Существует неограниченное количество различных осциллограмм. Все они имеют одну общую особенность: форма осциллограммы (изменение уровня со временем) является самым информативным элементом.

Система сбора данных, применяемая для считывания осциллограмм, должна иметь следующие особенности:

• более широкую полосу пропускания - для измерения сигнала при высокой частоте выборки;

• точный таймер - для измерения сигнала через точные интервалы времени;

• триггер - для старта измерений в точно определенное время.

Переменные аналоговые сигналы в частотной области

Аналоговые сигналы в частотной области похожи на осциллограммы, поскольку они также несут информацию о том, как сигналы изменяются во времени. Однако информация, извлекаемая из такого сигнала, содержится в его частотной составляющей в отличие от формы или изменяющейся во времени характеристики осциллограммы.

Так же как и при измерении осциллограммы, прибор, используемый для измерения частотного сигнала, должен включать в себя аналого-цифровой преобразователь, таймер и триггер для своевременного захвата осциллограммы. Кроме того, прибор должен уметь анализировать, чтобы выделить информацию о частоте сигнала.

Можно осуществить цифровую обработку сигнала с помощью программного обеспечения или специальной аппаратной части цифрового сигнального процессора, созданного для быстрого и эффективного анализа сигнала.

Система сбора данных, применяемая для получения сигналов в частотной области, должна иметь:

• более широкую полосу пропускания - для измерения сигнала при высокой частоте выборки;

• точный таймер - для измерения сигнала через определенные интервалы времени;

• триггер - для начала измерений в определенное время;

• функции анализа - преобразование временной информации в частотную.

В частотной области, некоторые сигналы и области применений очень удобны для такого анализа. Сюда относятся голосовые, акустические и геофизические сигналы, вибрация и т.д.

Один сигнал - пять видов измерений

Пять видов сигналов, представленных в данном разделе, не являются взаимоисключающими. Определенный сигнал способен нести более одного вида информации. Таким образом, сигнал можно классифицировать по-разному и, следовательно, измерить несколькими способами. Для цифровых on-off сигналов, сигналов в виде серии импульсов и уровневых сигналов допустимы упрощенные методы измерений, так как они являются простыми вариантами аналоговых сигналов во временной области.

Можно измерить один и тот же сигнал с помощью различных систем, начиная от простой цифровой платы ввода/вывода и заканчивая сложной системой частотного анализа. Выбираемый метод измерения зависит от информации, которую необходимо выделить из сигнала.

Дискретизация, появление ложной частоты

Последней и, возможно, наиболее важной частью теории сигнала является процесс дискретизации. Реальные сигналы, как правило, непрерывны. Для представления этих сигналов в компьютере плата ввода/вывода должна достаточно часто измерять уровень сигнала и присваивать ему дискретное число, которое компьютер будет принимать. Такой процесс называется аналого-цифровым преобразованием. Затем компьютер осуществляет что-то вроде «соединения точек» и выдает нечто похожее на реальный сигнал (вот почему говорят, что он представляет сигнал).

Частота дискретизации (sampling rate) системы отражает, насколько часто происходит аналого-цифровое преобразование. Если система сбора данных делает одно преобразование в течение 0,5 с, мы говорим, что частота дискретизации составляет 2 выборки в секунду, или 2 Гц. В качестве альтернативы можно ввести период дискретизации, который равен обратному значению частоты (в данном примере 0,5 с). Оказывается, частота дискретизации сильно влияет на то, похож ли оцифрованный сигнал на реальный. Если частота дискретизации недостаточно высока, возникает неприятное явление - появление ложной частоты (aliasing).

В результате в ваших данных появляются высокочастотные компоненты, которые отсутствуют в реальном сигнале и таким образом искажают его. Ложную частоту удалить невозможно, вот почему так важно производить выборку (дискретизацию) с достаточно высокой скоростью.

Теорема Найквиста, предлагает следующий принцип: во избежание появления ложной частоты частота дискретизации должна быть в два раза больше максимальной частотной компоненты в воспринимаемом сигнале. Например, если известно, что сигнал, который вы измеряете, может изменяться 1000 раз в секунду (1000 Гц), следует выбрать частоту дискретизации большей 2 кГц.

Теорема Найквиста предполагает, что вам известна самая высокая частотная компонента сигнала. Если же она наперед не известна, пропустите сигнал через фильтр, чтобы избавиться от потенциальных высокочастотных компонент. Теорема Найквиста говорит только о безошибочном представлении частоты сигнала, но не о точном воспроизведении его формы.

Если при дискретизации необходимо воспроизвести форму сигнала, то частота выборок должна превышать частоту Найквиста. В основном достаточно превышения в 5-10 раз от максимальной частотной компоненты аналогового сигнала.

Другой причиной необходимости знания частотного диапазона сигнала

является выбор фильтров защиты от наложения спектров (фильтров пропускания нижних частот). Во многих реальных сферах применения сигналы «обрастают» большим количеством высокочастотных шумов, которые сильно превышают теоретический частотный предел измеряемого сигнала.

Единственным случаем, когда частота дискретизации не имеет значения, является измерение сигналов постоянного тока, таких как температура или давление. Физическая природа этих сигналов такова, что они не могут изменяться быстрее, чем один или два раза в секунду. В этих случаях используется частота выборки, не превышающая 10 Гц.

Основным уравнением измерения является:

- входной аналоговый сигнал

- преобразование в аналоговой форме

К – оператор АЦПреобразования

- результаты преобразования, выполненные в числовой форме

- результат измерения

Первая погрешность АЦП называется погрешностью дискретизации (цена младшего разряда). Вторая погрешность АЦП – погрешность квантования, она определяется быстродействием АЦП и частотой опроса.

Цена младшего разряда должна быть меньше предельной точности определяемыми требованиями эксперимента. А быстродействие и частота опроса должны превышать верхние частоты в спектре сигнала.

Таким образом, каждый измерительный канал представляет собой последовательность звеньев, на которые действует помеха. Результатом этого воздействия является нелинейность функции передаточных звеньев:

1. Нелинейность возникает из-за естественных вольт-амперных характеристик элементов, гистерезных явлений или старения.

2. Наводки, т.е. искажение переданных сигналов

3. Инерционность сигналов (задержки и появление зон нечувствительности)

Обычно все эти эффекты сводят к ошибкам 2 видов:

1. систематическая ошибка

2. случайная ошибка

Систематическая ошибка является знакопостоянной, поэтому ее можно компенсировать за счет калибровки и сдвигов метрологических характеристик.

Случайная ошибка не устраняется, ограничиваются проверкой данных на достоверность. Сбор и регистрация обеспечиваются при выполнении измерений с помощью процессорных измерительных систем (ПрИС):

1. Считывание измеряемых значений

2. Контроль достоверности и коррекция помех

3.Предобработка данных и их архивация

Пример «Выбор параметров АЦП»

Случайные вибрации конструкции измеряются датчиком, который преобразует механическое ускорение в аналоговую форму колебания электрического напряжения. Анализ наблюдаемой вибрации производится от 0 до 2000 Гц.

Отношение сигнал/шум s/n = 80 Дб.

Необходимо определить частоту опроса и число бит АЦП.

Фильтрация :

1. Выполняется фильтрация сигнала с выделением в диапазоне частот 0 – 2000 Гц. Поскольку реальная фильтрация не обеспечивает порог обрезания на 2000 Гц, то 0 – 2500 Гц.

2. Определяем интервал дискретизации по формуле:

- интервал дискретизации

- частота Найквиста

3. Считаем сетку

где - ошибка квантования

n = 11.5 = 12 бит