Промышленные АСУ и контроллеры. – Специальный выпуск №1. – 2006.
Авторы: Егоров А.А., Волокитин Д.А., Неретин Е.С., Парамонов В.В., Соловьёв С.Ю.

Назначение

Многофункциональный контроллер МИУБ (микропроцессорный измерительно-управляющий блок) предназначен для локального, удалённого или распределённого вво-да-вывода дискретных сигналов и ввода аналоговых сигналов. МИУБ представляет собой универсальный одноплатный контроллер, сферой применения которого являются задачи автоматизации объектов или процессов малой степени сложности (общее количество об-рабатываемых сигналов – до 30).

МИУБ выпускается в двух конструктивных исполнениях – лабораторном и промышленном, внешний вид которых приведён соответственно на рис.1 и 2.

Рис.1 Лабораторное исполнение МИУБ

Рис.2 Промышленное исполнение МИУБ

Системотехническое построение

Системотехнически МИУБ построен по классической схеме «вычислитель + устрой-ства ввода-вывода + коммуникации».

В качестве основного процессорного элемента используется 8-разрядный однокри-стальный микроконтроллер семейства AVR компании Atmel. Микроконтроллер обладает высокой производительностью, большим объёмом встроенной flash-памяти, имеет широ-кий спектр интегрированной периферии. Такое решение является адекватным компромис-сом между функциональными возможностями и стоимостью вычислительной подсистемы МИУБ.

Подсистема ввода-вывода контроллера МИУБ обеспечивает каналы дискретного ввода с напряжением коммутации до 24 В (8 шт.), каналы дискретного ввода ТТЛ/КМОП (4 шт.), каналы дискретного вывода с напряжением коммутации до 24 В (4 шт.), каналы аналогового ввода сигналов по напряжению в диапазоне 0…5 В (4 однопроводных), спе-циализированные каналы аналогового ввода сигналов термопар, термосопротивлений и сигналов низкого уровня в семи однополярных диапазонах от 0…20 мВ до 0…1,28 В и семи биполярных диапазонах от +-20 мВ до +-1,28 В (6 дифференциальных или 10 одно-проводных каналов).

Структурная схема МИУБ представлена на рис. 3, функциональная – на рис. 4.

Рис.3 Структурная схема МИУБ

Рис.4 Функциональная схема МИУБ

По функциональному назначению в составе МИУБ может быть выделено четыре части: измерительная, управляющая, коммуникационная и узел программирования и от-ладки.

Каналы дискретного вывода построены на полевых транзисторах с малым сопротив-лением перехода. Каналы могут быть использованы как 8 однонаправленных или 4 двуна-правленных (определяется внешней коммутацией выходных цепей). Напряжение комму-тации до 24 В, ток коммутации – до 4 А. Два из восьми каналов могут быть использованы как выходы 10-разрядного ШИМ-контроллера. Частота ШИМ – 28,125 Гц; шаг изменения длительности импульса – 34,75 мкс.

Каналы аналогового ввода сигналов в диапазоне 0…5 В построены на основе 10-разрядного АЦП последовательного приближения, интегрированного в микроконтроллер МИУБ. Время преобразования по каждому каналу АЦП задаётся программно в диапазоне 13…260 мкс.

Специализированные каналы аналогового ввода обеспечиваются двумя прецизион-ными 24-разрядными АЦП сигма-дельта архитектуры компании ANALOG DEVICES (ис-пользуется 16-разрядный формат данных). Каждый АЦП имеет встроенный усилитель с программируемым коэффициентом усиления, что позволяет выбирать диапазон измене-ния входного сигнала и подавать сигналы низкого уровня непосредственно от датчиков, и программируемый цифровой фильтр. Время преобразования для каждого канала АЦП, связанное с частотой среза цифрового фильтра однозначной функциональной зависимо-стью, задаётся программно в диапазоне 27,5…440 мс. Управление процессом преобразо-вания осуществляется микроконтроллером МИУБ по трёхпроводному последовательному интерфейсу SPI. С помощью сигма-дельта АЦП и источника тока обеспечивается под-ключение к МИУБ до четырёх терморезистивных датчиков. Схема включения терморези-стивных датчиков – мостовая.

Наличие двух АЦП, различных по принципу преобразования и характеристикам, да-ёт пользователю возможность выбора параметров процесса измерения, отвечающих тре-бованиям задачи: меньшей точности, но большей скорости преобразования, обеспечивае-мой встроенным АЦП микроконтроллера, или же большей точности, но и меньшей скоро-сти (за счёт цифровой фильтрации), свойственной сигма-дельта АЦП.

Схемотехническое построение

Схемотехническое построение МИУБ сочетает использование современной элементной базы и аппаратных решений, отработанных в ходе реализации ряда проектов по разработке специализированных измерительно-управляющих устройств. Так, все каналы дискретного ввода-вывода имеют оптическую развязку. Входные цепи АЦП содержат RC-цепочки, устраняющие эффект наложения спектров при дискретизации аналогового сиг-нала. Кроме того, при проектировании топологии печатной платы МИУБ использованы ноу-хау по обеспечению помехозащищённости аналоговых цепей для высокоточных из-мерений малых сигналов в составе устройства, насыщенного силовыми и цифровыми управляющими цепями.

Коммуникации

Коммуникационная подсистема МИУБ содержит в качестве базового порт с интер-фейсом RS-232, обеспечивающий соединение МИУБ с верхним уровнем (ПК) типа “точ-ка-точка”. Для обмена данными и управления используется открытый документирован-ный протокол типа “запрос-ответ” с подтверждением и контролем корректности переда-ваемой информации. Протокол содержит команды управления состоянием выходных ка-налов, чтения входных каналов, однократного или непрерывного чтения результатов из-мерений, управления ШИМ-контроллером, получения статусной и диагностической ин-формации. В качестве опции в МИУБ может быть установлен встраиваемый преобразова-тель RS-232-Ethernet типа NE-4120S компании MOXA, обеспечивающий “прозрачный” обмен данными. Это позволяет использовать МИУБ в сетевых структурах, в т.ч. распре-делённых.

Программное обеспечение

Базовым программным средством для конфигурирования МИУБ и организации пользовательского интерфейса является программное обеспечение Laboratory Analyzer, входящее в комплект поставки МИУБ. ПО Laboratory Analyzer обеспечивает следующие возможности: задание конфигурации каналов ввода-вывода и параметров работы МИУБ, отображение графиков измеряемых сигналов в режимах осциллографа и самописца, фор-мирование циклограмм управления состоянием выходных каналов, ручное управление состоянием выходных каналов, отображение состояния входных каналов, экспорт резуль-татов измерений в программу Microsoft Excel. ПО Laboratory Analyzer также даёт возмож-ность доступа к МИУБ из внешних приложений по интерфейсу DDE.

Внешний вид программы при работе с лабораторной установкой «Методы и техни-ческие средства измерения вибрации» приведен на рис. 5.

Рис.5 Внешний вид программы при работе с установкой «Методы и технические средства изме-рения вибрации»

Конструктивное исполнение

Габаритные размеры МИУБ в лабораторном исполнении составляют 170x135x60 мм, в промышленном исполнении – 175x225x75 мм; масса (без присоединительных разъёмов) - не более 500 г. Рабочий диапазон температур - +10…+35 С.

Практика применения

Контроллер МИУБ используется для оснащения лабораторных установок экспериментальной учебной лаборатории “Электрические измерения неэлектрических величин”, серийно выпускаемых РНПО "Росучприбор":

• “Методы и технические средства измерения температуры”,
• “Методы и технические средства измерения давления”,
• “Методы и технические средства измерения вибрации”,
• “Методы и технические средства измерения ускорения”;

а также в лаборатории “Метрология, стандартизация и сертификация” для работы с уста-новками, выпускаемыми кафедрой “Приборы и измерительно-вычислительные комплексы” Московского авиационного института:

• “Методы и технические средства определения градуировочной (статической) характеристики и погрешностей оптического датчика линейных перемещений”,
• “Методы и технические средства определения погрешностей пружинного маятника”,
• “Методы и технические средства определения метрологических характеристик грузопоршневых манометров”.

Фрагмент лабораторного стенда на базе МИУБ, используемого в учебном процессе кафедры “Приборы и измерительно-вычислительные комплексы” МАИ, показан на рис. 6.

Рис.6 Фрагмент лабораторного стенда на базе МИУБ

Функциональные характеристики и надёжность контроллера МИУБ подтверждаются опытом эксплуатации в ряде Высших образовательных учреждений России и стран СНГ.

Выводы

МИУБ является бюджетным контроллером, построенным по принципу “всё-в-одном”, что делает его идеальным вариантом для применения в задачах малой и средней автоматизации. Наличие полнофункционального ПО верхнего уровня, входящего в комплект поставки, обеспечивает сокращение времени развёртывания измерительно-управляющих систем на основе МИУБ. Широкие измерительные и коммуникационные возможности позволяют оптимизировать структуру системы под требования задачи.

Литература

1. Неретин Е.С. Микропроцессорный измерительно-управляющий блок “МИУБ” // Микроэлектроника и информатика – 2006. 13-я Всероссийская межвузовская научно-техническая конференция студентов и аспирантов: Тезисы докладов. – М.: МИЭТ, 2006. – с. 253.
2. Князева В.В., Неретин Е.С. Микропроцессорный измерительно-управляющий блок “МИУБ” // Современные технологии в задачах управления, автоматики и обработки информации: Труды XV Международного научно-технического семинара. Сентябрь 2006 г., Алушта. – М.: МИФИ, 2006. – с. 130.
3. Резник Ю.О., Баскаков И.Д., Волокитин Д.А., Маслов А.В., Соловьёв С.Ю., Колодезный А.Ю. Применение преобразователей семейства Network Enabler NE-4100 компании MOXA // Промышленные АСУ и контроллеры. – № 4. – 2005. – с. 49-53.