Проектирование 53-канальной системы сбора цифровой информации на базе микроконтроллера PIC16F877

     Большинство сигналов имеют аналоговую природу, то есть изменяются непрерывно во времени и могут принимать любые значения на некотором интервале. Аналоговые сигналы описываются некоторой математической функцией времени.

     Пример  АС — гармонический сигнал — s(t) = A·cos(ω·t + φ).

     

     Аналоговые  сигналы используются в телефонии, радиовещании, телевидении. Ввести такой сигнал в компьютер и обработать его невозможно, так как на любом интервале времени он имеет бесконечное множество значений, а для точного (без погрешности) представления его значения требуются числа бесконечной разрядности. Поэтому необходимо преобразовать аналоговый сигнал так, чтобы можно было представить его последовательностью чисел заданной разрядности.

     

                        Рис. 1.2

     Дискретный  сигнал

     Дискретизация аналогового сигнала состоит  в том, что сигнал представляется в виде последовательности значений, взятых в дискретные моменты времени. Эти значения называются отсчётами. Δt называется интервалом дискретизации.  

                        Рис. 1.3

     

     

     Квантованный  сигнал

     При квантовании вся область значений сигнала разбивается на уровни, количество которых должно быть представлено в числах заданной разрядности. Расстояния между этими уровнями называется шагом квантования Δ. Число этих уровней равно N (от 0 до N-1). Каждому уровню присваивается некоторое число. Отсчеты сигнала сравниваются с уровнями квантования и в качестве сигнала выбирается число, соответствующее некоторому уровню квантования. Каждый уровень квантования кодируется двоичным числом с n разрядами. Число уровней квантования N и число разрядов n двоичный чисел, кодирующих эти уровни, связаны соотношением n ≥ log2(N).

     

                        Рис. 1.4

     Цифровой  сигнал

     Для того чтобы представить аналоговый сигнал последовательностью чисел  конечной разрядности, его следует  сначала превратить в дискретный сигнал, а затем подвергнуть квантованию. В результате сигнал будет представлен таким образом, что на каждом заданном промежутке времени известно приближённое (квантованное) значение сигнала, которое можно записать целым числом. Если записать эти целые числа в двоичной системе, получится последовательность нулей и единиц, которая и будет являться цифровым сигналом. 

 

      1.2 Способы построения ССИ

     Существует  несколько способов построения систем сбора информации.

     Параллельной  называется система сбора данных, работающая на основе так называемых интеллектуальных датчиков. Параллельными системами сбора данных следует считать ССД на основе т. н. интеллектуальных датчиков (ИД), каждый ИД суть одноканальная ССД со специализированным интерфейсом. Исторически же первыми параллельными ССД были ССД, где у каждого датчика «личным» был только АЦП, а сбор и обработка данных осуществлялась многопроцессорной ЭВМ. В настоящее время для сбора и обработки измерительной информации как правило вполне хватает вычислительных характеристик «обычной» ЭВМ. Параллельные системы пока еще не вытесняют мультиплексорные, в силу своей аппаратурной избыточности. Однако в ряде случаев параллельный принцип привлекателен: когда есть недорогие готовые ИД и недорогой канал связи (например система на интерфейсе 1-^ге) либо при небольшом числе каналов (выпускаются счетверенные сигма-дельта АЦП) и т. п. По технологии эта система является наиболее современной, так как еще недавно процесс сбора и обработки данных осуществлялся при помощи многопроцессорного ЭВМ. Сейчас же с функцией сбора и обработки данных вполне справляется обычный ЭВМ. Недостаток такой системы обработки данных заключается в следующем: очень большая степень избыточности аппаратуры.

     

     Мультиплексные (многоточечные) системы сбора данных оснащены Для каждого измерительного канала индивидуальными средствами обработки поступающего сигнала. Общим элементом является блок цифрового преобразования. Мультиплексная (мультиплексорная) ССД имеет на каждый измерительный канал индивидуальные средства аналоговой обработки сигнала и общий для всех каналов блок аналого-цифрового преобразования (помимо самого АЦП в него обязательно входит «антиалиасинговый» ФНЧ, устройство выборки хранения, опционально — схема защиты и схема формирования знакового разряда). Наибольшее распространение в настоящее время имеют именно мультиплексные системы сбора данных.Системы сбора информации указанного типа имеют наибольшее распространение среди всех образцов, представленных в своей рыночной нише.

     Типовой системой сбора данных является мультикомплексная  система, которая может содержать различные составляющие из нижеперечисленных узлов:

     - датчик;

     - коммутатор;

     - измерительные усилители;

     - аналого-цифровые преобразователи.

     Типовая система сбора данных является мультиплексной. Также ССД часто оснащаются цифровыми  линиями ввода вывода и цифро-аналоговым преобразователем (ЦАП).

     

     Информационно-измерительной  системой называется система сбора  данных, имеющая специализированное программное обеспечение совместно  с персональным компьютером. Попросту говоря — это многоканальный измерительный  прибор с широкими возможностями обработки и анализа данных данных. На основе ИИС могут быть построены различные автоматизированные системы управления (АСУ), среди которых: Информационно-Логические комплексы (то, что называют еще АСУ технологическими процессами), Информационно-Вычислительные Комплексы (Автоматизированная система научных исследований -АСНИ), Информационно-Диагностические Комплексы и Информационно-Контролирующие системы. В основу построения различных автоматизированных систем управления также может входить система сбора данных, оптимизированная под определённые параметры. 

 

      1.3 Пример реализации системы сбора цифровой информации

     

       Примером реализации сбора цифровой  информации может служить модель  DDА-1.

     Модель  DDА-1:

• Модель DDA-1 – система сбора цифровой информации и контроля
• Контроль переменных длительности импульса и угла регулирования тока на выходе
• Работает с разными типами выключателей
• Модульная конструкция, портативное исполнение
• Соответствует требованиям стандарта NEMA AB-4

                       Рис. 1.5

     Аппаратура для сбора измерительных данных и система контроля были специально спроектированы для того, чтобы обеспечить очень точный контроль выходного тока и измерение тестируемого выключателя. В модели DDA-1 применена новейшая технология цифровой обработки сигнала. Эта технология дает полный контроль над работой тиристоров и производит замеры выходного тока цифровым методом для обеспечения высокоточных измерений.

     Цифровой  амперметр: Модель DDA-1 производит замеры выходного тока цифровым способом и математически рассчитывает величину тока, который подается на тестируемый выключатель.

     Такой способ увеличивает точность систем измерения силы тока и дает особую гибкость индикации величины тока. К примеру, когда установка вырабатывает постоянный ток, цифровой амперметр постоянно производит замеры формы выходного сигнала и, следовательно, может показывать действительные среднеквадратические значения тока.

     

     Для измерения кратковременных импульсных токов могут использоваться следующие  способы вычисления выходного тока с помощью кнопок управления на панели:

     1. Для любых выходных токов больше  одного цикла модель DDA-1 может  вычислять действительные среднеквадратические  значения выходных токовых импульсов.  Для любого выходного тока  менее одного цикла действительные среднеквадратические значения не определяются.

     2. Для любых импульсов тока модель DDA-1 может измерять пиковые значения  тока и вычислять ожидаемые  среднеквадратические значения  тока от пикового тока.

     Функция вычисления комбинированного тока также полезна при тестировании полупроводниковых выключателей различных типов. Эта функция позволяет установке рассчитывать и симулировать тип тока, подобный тому, что используется для работы различных полупроводниковых автоматов защиты. Модель DDA-1 может применяться для измерения входного или выходного напряжения установки. Кроме того, ее можно использовать в качестве инструмента для диагностики состояния контактов посредством измерения перепада напряжения на контактах выключателя при подаче сильного тока.

 

      2 ПОСТРОЕНИЕ СТРУКТУРНОЙ СХЕМЫ

     

                                                             

        
 
 
 
 

     Рис. 2.1 

     Структурная схема состоит из следующих узлов:

• Мультиплексоры;
• Микроконтроллер;
• Устройства ввода;
• Семисегментного индикатора;
• Интерфейса RS-232c

     На  мультиплексор подаются сигналы  с разных датчиков. С помощью клавиатуры  вводим номер канала на устройстве ввода N-го канала, и с клавиатуры на микроконтроллер посылается сигнал номера канала. Потом микроконтроллер посылает сигнал в мультиплексор, из мультиплексора выбирается N-ый канал и посылается в микроконтроллер. Далее микроконтроллер посылает сигнал на семисегментный индикатор, который в свою очередь высвечивает номер канала. Далее микроконтроллер обрабатывает полученные данные с датчика их выдает на интерфейс RS-232. Микропроцессор по окончании работы переходит в режим ожидании.  

       

     

     3 ВЫБОР ЭЛЕМЕНТНОЙ БАЗЫ

     3.1 Мультиплексор К155КП1

Рис. 3.1

        Таблица 3.1