Разработка сетевого многофункционального контроллера для комплексной модернизации экспериментальной учебной лаборатории «Электрические измерения неэлектрических величин»

В.В. Князева, О.Ю. Чубаров

В.В. Князева, О.Ю. Чубаров

Разработка сетевого многофункционального контроллера для комплексной модернизации экспериментальной учебной лаборатории «Электрические измерения неэлектрических величин»

Сетевой многофункциональный контроллер «МИУБ» для комплексной модернизации экспериментальной учебной лаборатории «Электрические измерения неэлектрических величин» представляет собой универсальный многофункциональный блок, обеспечивающий измерение аналоговых сигналов датчиков, управление различными периферийными устройствами, первичную обработку результатов измерений и обмен информацией с персональным компьютером (ПК) или другими устройствами.

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

Цифровая часть схемы измерительно-управляющего блока содержит средства, предназначенные для реализации интерфейсов управления и обмена данными.

В качестве основного процессорного элемента выбран 8-разрядный однокристальный микроконтроллер RISC-архитектуры AT90USB1287 фирмы Atmel. Выполняя большинство команд за один машинный такт, микроконтроллер AT90USB1287 достигает производительности 1 миллион операций в секунду на 1 МГц тактовой частоты.

Микропроцессорное ядро AVR сочетает широкую систему команд и 32 регистра общего назначения. Все регистры общего назначения непосредственно связаны с арифметико-логическим устройством, что позволяет обращаться к двум различным регистрам в одной команде, выполняемой за один машинный такт.

Микроконтроллер AT90USB1287 обладает высокой производительностью, большим объёмом внутренних памятей программ и данных, встроенной энергонезависимой памятью данных, а также широким спектром интегрированной периферии. Микроконтроллер осуществляет общее управление всеми исполнительными устройствами в соответствии с программой, записанной во Flash-памяти программ.

Подсистема ввода-вывода контроллера МИУБ обеспечивает каналы дискретного ввода с напряжением коммутации до +24 В (8 шт.), каналы дискретного ввода ТТЛ/КМОП (3 шт.), каналы дискретного вывода с напряжением коммутации до +24 В (8 шт.: 4 p-типа, 4 n-типа), каналы аналогового ввода сигналов по напряжению в диапазоне 0…+5 В (4 однопроводных), специализированные 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 однопроводных каналов).

Функциональная схема МИУБ изображена на рис.1. МИУБ представляет собой автономное микропроцессорное устройство, выполняющее функции измерения и управления. По функциональному назначению в схеме МИУБ может быть выделено четыре части: измерительная, управляющая, коммуникационная и узел программирования и отладки.

Измерительная часть схемы МИУБ содержит два аналого-цифровых преобразователя (АЦП) AD7795 сигма-дельта архитектуры производства фирмы ANALOG DEVICES и встроенный в микроконтроллер AT90USB1287 АЦП последовательного приближения.

Наличие двух АЦП, различных по принципу преобразования и характеристикам, даёт пользователю возможность выбора параметров процесса измерения, отвечающих требованиям задачи: меньшей точности, но большей скорости преобразования, обеспечиваемой встроенным АЦП микроконтроллера, или же большей точности, но и меньшей скорости (за счёт цифровой фильтрации), свойственной сигма-дельта АЦП.

МИУБ обеспечивает подключение до четырёх резистивных датчиков и до шести датчиков с выходом по напряжению. Подключение резистивных датчиков осуществляется по мостовой схеме, питание моста осуществляется от источника тока (см. рис. 2).

Регистрация результатов измерений может осуществлять в режиме самописца и режиме осциллографа.

При необходимости большего объема памяти к микроконтроллеру подключена Flash-память по последовательному интерфейсу SPI.

Номинальные функции преобразования:

где    К – считанный код результата преобразования;

V_IN – измеренное значение входного сигнала;

V_MAX+ – верхняя граница диапазона измерения;

V_MAX- – нижняя граница диапазона измерения.

АЦП AD7795 низкого уровня представляет собой 16-разрядный аналого-цифровой преобразователь сигма-дельта архитектуры, ориентированный на построение систем первичной обработки данных для задач управления. АЦП AD7795 имеет встроенный усилитель с программируемым коэффициентом усиления, что позволяет выбирать диапазон изменения входного сигнала и подавать сигналы низкого уровня непосредственно от датчиков.

Время измерений по каждому каналу составляет 2,12–239,8 мс.

Функциональная схема АЦП AD7731 представлена на рис. 3.

Преобразователь имеет шесть дифференциальных входов. Выбор пары, через которую осуществляется текущее измерение, производится программным путем с помощью встроенного коммутатора. Напряжение на любом из входов для нормальной работы прибора должно находиться в пределах от +1,2 до +4 В относительно аналоговой земли при напряжении питания прибора +5 В.

При опорном напряжении +2,5 В обеспечиваются переключаемые программно диапазоны измерения дифференциального напряжения 0…19.53, 0…39.06, 0…78.125, 0…156.2, 0…312.5, 0…625 мВ, 0…1.28 В.

Встроенный в микроконтроллер AT90USB1287 10-разрядный АЦП последовательного приближения имеет 8 однопроводных, 7 дифференциальных измерительных каналов.

Диапазон напряжений входного сигнала: 0…+5 В.

Время измерений по каждому каналу составляет 65…260 мкс.

Управляющая часть состоит из силовой части и цифро-аналогового преобразователя.

ЦАП DAC7612 представляет собой 12-разрядный цифро-аналоговый преобразователь, предназначенный для управления аналоговыми устройствами с диапазоном входного напряжения 0…+4 В.  

Силовой частью блока являются ключи, выполненные на КМОП-транзисторах с малым сопротивлением канала в открытом состоянии, что обеспечивает меньшее падение мощности на ключах по сравнению с биполярными транзисторами.

Максимальное напряжение коммутации составляет +24 В, максимальный ток коммутации 4 А.

Управляющие сигналы микроконтроллера подаются на ключи через оптопары, исключающие проникновение возможных импульсных сигналов, возникающих при работе с индуктивной нагрузкой, на микроконтроллер, а также для возможности подключения внешних источников питания. Опторазвязка также предотвращает выход из строя микроконтроллера при выходе из строя ключей.

Управление ключами осуществляется программно при помощи команды «Установить состояние ключей».

Для управления также используется встроенный в микроконтроллер АТ90USB1287 10-разрядный 2-канальный ШИМ-генератор, построенный на реверсивных счётчиках. Соотношение между длительностью импульса и длительность паузы задается числом в диапазоне 0…1023, записываемым в соответствующий регистр микроконтроллера АТ90USB1287.

В МИУБ имеются 3 канала дискретного ввода ТТЛ/КМОП-уровней и 8 оптически изолированных каналов дискретного ввода сигналов напряжением до +24 В.

Каналы дискретного ввода ТТЛ/КМОП-уровней используются для определения типа лабораторной установки, подключенной к МИУБ.

Оптически изолированные дискретные вводы используются для получения различных признаков, характеризующих состояние или режим работы лабораторной установки (наличие питания, автоматический/ручной режим работы, исходное положение маятника и т. д.).

Коммуникационная часть схемы. Для обмена информацией с другими устройствами используется универсальный синхронный/асинхронный приемо-передатчик (УСАПП), USB-контроллер, встроенные в микроконтроллер AT90USB1287 (используется асинхронный режим), а также последовательный сервер XPort для связи по Ethernet.

Для сопряжения МИУБ с другими устройствами по интерфейсу RS-232 интерфейс УСАПП преобразуется с помощью микросхемы-драйвера ADM202 производства фирмы ANALOG DEVICES. По умолчанию установлена скорость передачи данных 115200 бод.

МИУБ можно непосредственно подключить к другому устройству при помощи стандартного кабеля (перекрестного нуль-модемного или USB-удлинителя) или использовать его как удаленное устройство при помощи модема или сети Ethernet.

Для обмена данными и управления используется открытый документированный протокол типа «запрос-ответ» с подтверждением и контролем корректности передаваемой информации.

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, формирование циклограмм управления состоянием выходных каналов, ручное управление состоянием выходных каналов, отображение состояния входных каналов, экспорт результатов измерений в программу Microsoft Excel. ПО Laboratory Analyzer также даёт возможность доступа к МИУБ из внешних приложений по интерфейсу DDE.

Список использованных источников:

    1.         Егоров А.А., Волокитин Д.А., Неретин Е.С., Парамонов В.В., Соловьёв С.Ю. Многофункциональный контроллер МИУБ // Промышленные АСУ и контроллеры. – Специальный выпуск № 1. – 2006. – с. 24-26.

       2.         Егоров А.А., Осипов В.Г., Соловьев С.Ю. Программирование микроконтроллеров семейства AVR: Учебное пособие. – М.: Изд-во МАИ, 2005. – 80 с.