ФИЛИАЛ МОСКОВСКОЙ ГОСУДАРСТВЕННОЙ АКАДЕМИИ ПРИБОРОСТРОЕНИЯ И ИНФОРМАТИКИ
В Г. УГЛИЧ
Кафедра лТОЧНЫЕ ПРРИБОРЫ И ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЕ СИСТЕМЫ
КУРСОВОЙ ПРОЕКТ
по дисциплине
лМикропроцессорная измерительная техника
на тему : лПроектирование системы сбора данных
Студент Алещенко Д. А.
Шифр 96207
Вариант 1
преподаватель Канаев С.А.
Подпись студента
Подпись преподавателя
Дата 2.06.2000
Дата
г. Углич 2000 г.
СОДЕРЖАНИЕ
1. ВВЕДЕНИЕ
3
2. ТЕХНИЧЕСКОЕ ЗАДАНИЕ
4
3. РАЗРАБОТКА СТРУКТУРНОЙ СХЕМЫ. ОБОБЩЕННЫЙ АЛГОРИТМ РАБОТЫ
5
4. РАЗРАБОТКА И РАСЧЕТ ЭЛЕМЕНТОВ ПРИНЦИПИАЛЬНОЙ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ СХЕМЫ
4.1 Выбор микропроцессорного комплекта
4.1.1 Аппаратное сопряжение ПК и микроконтроллера
4.1.2 Выбор кварцевого резонатора
4.1.3 Выбор скорости приема/передачи по RS-232
4.1.4 Разработка формата принимаемых и передаваемых данных по RS-232
4.2 Выбор буфера RS-232.........................
4.3 Выбор АЦП.
4.3.1 Расчет погрешности вносимой АЦП.
4.4 Выбор сторожевого таймера.
4.5 Выбор интегральной микросхемы операционного усилителя
4.5.1 Расчет погрешностей от нормирующего усилителя
4.6 Выбор и расчет внешних элементов гальванической развязки
7
7
7
8
8
9
9
10
11
12
12
14
16
5. АПРОКСИМАЦИЯ СТАТИЧЕСКОЙ ХАРАКТЕРИСТИКИ НЕЛИНЕЙНОГО ДАТЧИКА
5.1 Оценка погрешности от аппроксимации
18
19
6. ВЫБОР ФОРМАТА ДАННЫХ
6.1 Оценка погрешности от перевода коэффициентов
20
20
7. ОЦЕНКА ПОГРЕШНОСТЕЙ
21
8. РАСЧЕТ ПОТРЕБЛЯЕМОЙ МОШНОСТИ ОСНОВНЫМИ ЭЛЕМЕНТАМИ СХЕМЫ
22
ПРИЛОЖЕНИЯ
Приложение 1
Приложение 2
Приложение 3
Приложение 4
Приложение 5
23
24
25
26
27
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ
34
1. ВВЕДЕНИЕ
В настоящее время проектированию измерительных систем уделяется много
времени. Делается большой акцент на применение в этих системах электронно-
цифровых приборов. Высокая скорость измерения параметров, удобная форма
представления информации, гибкий интерфейс, сравнительно небольшая
погрешность измерения по сравнению с механическими и электромеханическими
средствами измерения все эти и многие другие преимущества делаю данную
систему перспективной в развитии и в дальнейшем использовании во многих
отраслях производства.
Развитие микроэлектроники и широкое применение ее изделий в промышленном
производстве, в устройствах и системах управления самыми разнообразными
объектами и процессами является в настоящее время одним из основных
направлений научно-технического прогресса.
Использование микроконтроллеров в изделиях не только приводит к повышению
технико-экономических показателей (надежности, потребляемой мощности,
габаритных размеров), но и позволяет сократить время разработки изделий и
делает их модифицируемыми, адаптивными, а также позволяет уменьшить их
стоимость. Использование микроконтроллеров в системах управления обеспечивает
достижение высоких показателей эффективности при низкой стоимости.
Системы сбора данных в наши дни сделали большой шаг в вперед и в плотную
приблизились к использованию совершенных электронных технологий. Сейчас,
многие системы сбора данных состоящие из аналогового коммутатора, усилителя
выборки-хранения, АЦП, стали размещать на одной интегральной микросхеме, что
сравнительно повлияло на скорость обработки данных, удобство в использовании,
и конечно же на их стоимость.
2. ТЕХНИЧЕСКОЕ ЗАДАНИЕ
Требуется спроектировать систему сбора данных предназначенную для сбора и
первичной обработки информации поступающей с четырех датчиков давления и
датчика контроля за давлением.
Основные характеристики:
Количество развязанных оптоизолированных входов для подключения датчика контроля за давлением
Активный уровень
Выходное напряжение логического нуля
Выходное напряжение логической единицы
Максимальный выходной ток
логического нуля мА
логической единицы мА
1
1
уровень ТТЛШ
уровень ТТЛШ
2.5
1.2
Режим измерения давления
Статический
Базовая микро-ЭВМ
89С51 фирмы Atmel
3. РАЗРАБОТКА СТРУКТУРНОЙ СХЕМЫ. ОБОБЩЕННЫЙ АЛГОРИТМ РАБОТЫ
Структурная схема системы сбора данных представлена на рис.1
Обобщенная структурная схема системы сбора данных.
ДД1,ДД2,ДД3 Ц линейные датчики давления,
ДД4- нелинейный датчик давления,
ДКД1, ДКД2 Ц датчики контроля за давлением
AD7890 Ц АЦП, УВХ, ИОН, аналоговый коммутатор,
98С51 Ц микро-ЭВМ,
WDT Цсторожевой таймер.
Рисунок 1.
Датчики давления преобразовывают измеренное давление в электрический сигнал.
Нормирующие усилители преобразовывают выходное напряжение с датчиков давления
к входному напряжению АЦП.
AD7890 (далее АЦП) служит для того чтобы, переключать требуемый канал
коммутатора, преобразовать аналоговую величину напряжения в соответствующий
ей двоичный цифровой код.
Однокристальная микро-ЭВМ предназначена для того чтобы:
производить расчет - Р(код) по известной статической характеристике
датчика давления;
передавать рассчитанное давление по последовательному интерфейсу RS-
232 в ПК.
Буфер последовательного интерфейса RS-232 введен в схему, для того чтобы
преобразовывать логические уровни между ПК и микро-ЭВМ и микро-ЭВМ и ПК.
Т.К. работа системы производится в автономном режиме и она не предусмотрена
для работы с оператором, то в состав системы дополнительно вводится
интегральная микросхема сторожевого таймера, предназначенная для вывода
микро-ЭВМ из состояния зависания и ее сбросе при включении питания.
Временная диаграмма работы сторожевого таймера представлена на листе 2
графической части.
Блок схема обобщенного алгоритма работы представлена в приложении 4.
При включении питания микро-ЭВМ 89С51 реализует подпрограмму инициализации (1.
инициализация УАПП, 2. установка приоритета прерываний, 7. разрешение
прерываний). По запросу от ПК лСчитать измеренное давление с датчика N (где N
Ц номер датчика давления), МП последовательно выдает с линии 1 порта 1(Р1.1),
байт данных (в котором 1-ый, 2-ой и 3-ий биты указывают на выбор канала
мультиплексора) на вход АЦП Ч DATA IN. Прием каждого бита этого байта
происходит по фронту импульсов сигнала поступающего на вход SCLK от МП с линии
2 порта 1 (Р 1.2). Передача этого байта стробируется сигналом (низкий уровень),
поступающего на вход
от МП с линии 4 порта 1 (см. графическую часть лист 2) Приняв байт информации
АЦП производит переключение требуемого канала. После этого МП выдает
отрицательный импульс на вывод
с линии 7 порта 1 и по положительному переходу этого импульса начинается процесс
преобразования напряжение в двоичный код, которое поступает от датчика давления
Ц N. По истечении 5.9 mс (время преобразования ) АЦП готов к последовательной
передачи полученного 12-ти разрядного двоичного кода. Процесс передачи данных
от АЦП к МП производится при стробировании сигнала (низкий уровень),
поступающего с линии 5 порта 1 на вывод
(см. графическую часть лист 2). Формат посылки состоит из 15-ти бит (первые три
бита несут за собой номер включенного текущего канала, а остальные 12 бит
двоичный код ). Приняв двоичный код, МП путем математических вычислений(см.
п.5) находит зависимость Р(код) и посылает в ПК по последовательному интерфейсу
RS-232 полученное значение давления P. На этом цикл работы системы
заканчивается.
4. РАЗРАБОТКА И РАСЧЕТ ЭЛЕМЕНТОВ ПРИНЦИПИАЛЬНОЙ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ СХЕМЫ
4.1 Выбор микропроцессорного комплекта
В соответствии с заданием ядром системы послужила однокристальная микро-ЭВМ
89С51 фирмы Atmel.
Основные характеристики однокристальной микро-ЭВМ 89С51:
Х Совместима с однокристальной микро-ЭВМ серии MCS-51Щ
Х 4Kb ре-программируемой флешь памяти
Ц допустимо: 1000 циклов Записи/Стирания
Х Рабочий диапазон частоты синхронизации : от 0 Гц до 24 МГц
Х 128 x 8-бит встроенного ОЗУ
Х 32 программируемых I/O линии
Х Два 16-разрядных таймер/счетчика
Х Семь источников внешних прерываний
Х Программируемый УАПП
Х Возможность включения режима пониженного энергопотребления
4.1.1 Аппаратное сопряжение ПК и микроконтроллера
Для решения задачи сопряжения ПК и микроконтроллера было решено использовать
интерфейс RS-232C.
Последовательный порт используется в качестве универсального асинхронного
приемопередатчика (УАПП) с фиксированной или переменной скоростью
последовательного обмена информацией и возможностью дуплексного включения.
Последовательный интерфейс микроконтроллера МК-51 может работать в следующих
четырех режимах:
Режим 0. Информация передается и
принимается через вход RxD приемника (вывод P3.0). Через выход передатчика TxD
(вывод P3.1) выдаются импульсы синхронизации, стробирующие каждый передаваемый
или принимаемый бит информации. Формат посылки Ц 8 бит. Частота приема и
передачи Ц тактовая частота микроконтроллера.
Режим 1. Информация передается
через выход передатчика TxD, а принимается через вход приемника RxD. Формат
посылки Ц 10 бит: старт-бит (ноль), восемь бит данных, программируемый девятый
бит и стоп-бит (единица). Частота приема и передачи задается таймером/счетчиком
1.
Режим 2. Информация передается
через выход передатчика TxD, а принимается через вход приемника RxD. Формат
посылки Ц 11 бит: старт-бит (ноль), восемь бит данных, программируемый девятый
бит и 2 стоп-бита (единицы). Передаваемый девятый бит данных принимает значение
бита ТВ8 из регистра специальных функций SCON. Бит ТВ8 в регистре SCON может
быть программно установлен в л0 или в л1, или в него, к примеру, можно
поместить значение бита Р из регистра PSW для повышения достоверности
принимаемой информации (контроль по паритету). При приеме девятый бит данных
принятой посылки поступает в бит RB8 регистра SCON. Частота приема и передачи в
режиме 2 задается программно и может быть равна тактовой частоте
микроконтроллера деленной на 32 или на 64.
Режим 3. Режим 3 полностью
идентичен режиму 2 за исключением частоты приема и передачи, которая в режиме 3
задается таймером/счетчиком 1.
Для реализации обмена информацией между ПК и микроконтроллером наиболее
удобным является режим 2, т.к. для работы в этом режиме не требуется
таймер/счетчик. Этот режим полностью удовлетворяет предъявленным требованиям.
4.1.2 Выбор кварцевого резонатора
Для работы МП необходим кварцевый резонатор который подключается к выводам
XTAL1 и XTAL2 (см. графическую часть курсового проекта, лист 1)
Рабочая частота кварцевого резонатора непосредственно связана со скоростью
работы УАПП, мы выбираем из п.1 fрез=11.059 МГц
4.1.3 Выбор скорости приема/передачи по RS-232
Скорость приема/передачи, т.е. частота работы универсального асинхронного
приемопередатчика (УАПП) в режиме 2 зависит от значения управляющего бита
SMOD в регистре специальных функций.
Частота передачи определяется выражением:
f=(2SMOD/64)fрез.
Иными словами, при SMOD=0 частота передачи равна (1/64)fрез, а
при SMOD=1 равна (1/32)fрез.
Исходя из вышеизложенного, выберем частоту приема данных при SMOD=1. Если f
рез=11,059 МГц, тогда частота приема данных будет 19,2 КБод.
Другие значения частот кварца могут быть выбраны из таблиц в п.1 и п.2.
4.1.4 Разработка формата принимаемых и передаваемых данных по RS-232
Формат принимаемых и передаваемых данных почти полностью описан режимом 2
работы последовательного интерфейса.
Формат должен состоять из 11 бит:
стартовый бит Ц ноль;
восемь бит данных;
девятый бит Ц контроль по паритету, для повышения достоверности
принимаемой информации;
два стоповых бита Ц единицы.
4.2 Выбор буфера RS-232
Обмен данными между ПК и микроконтроллером будет производиться по
последовательному интерфейсу RS-232. Т.к. стандартный уровень сигналов RS-232
- -12 В и +12 В, а стандартный уровень сигналов асинхронного интерфейса
микроконтроллера 89С51 Ц +5 В необходимо обеспечить согласование уровней
между RS-232 и 89С51. Преобразование напряжения будет производить цифровая
интегральная микросхема ADM 202E. Выбор данной микросхемы был произведен
исходя из ТЗ (техническое задание). Основные характеристики цифровой
интегральной микросхемы ADM 202E приведены в табл. 3.
Таблица 3.
Основные характеристики цифровой интегральной микросхемы ADM 202E
