Белай О.М. Информационно-измерительные системы. Методические указания к лабораторным работам

Подождите немного. Документ загружается.

Министерство образования Украины

Украинский Государственный Морской Технический Университет

ИНФОРМАЦИОННО – ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЕ СИСТЕМЫ

Методические указания к лабораторным работам

Николаев 2004

Белай О.М.

Информационно – измерительные системы.

Методические указания к лабораторным работам, часть 1. — Николаев: УГМТУ, НИАЭ,2004

— 53 с.

Кафедра компъютеризированных систем управления

Настоящие указания содержат описание цикла лабораторных работ по курсу “Информационно

– измерительные системы “на базе сопрягаемого с PC одноплатного контроллера SSJKS4. Кратко

изложены теоретические основы, а также методика получения экспериментальных данных

при

использовании программного интерфейса контроллера.

Указания предназначены для студентов, обучающихся по специальности: 8.091401 “Системы

управления и автоматики “.

Рецензент: д.т.н., профессор Кутковецкий В.Я.

Украинский государственный морской

технический университет,

Николаевский институт автоматики

и электротехники

Введение

В настоящее время, с быстрыми темпами развития электроники и электронных компонентов,

во многих областях промышленности и народного хозяйства широко внедряются различные

информационно-измерительные системы (ИИС). Мини-пекарня и автономный аппарат

“искусственная почка”, рыбацкий эхолот и многоканальная система медицинской диагностики

послеоперационного периода имеют в составе модули ИИС .

Информационно-измерительная система может

состоять как из отдельного автономного

модуля с блоком индикации, так и в комплексе с персональным компьютером (PC), имея мощный

программный интерфейс и аппаратную часть.

В данном методическом пособии рассматривается пример использования отдельного модуля

(одноплатного контроллера SSJKS4), сопрягаемого с PC, в качестве информационно-измерительной

системы или её составной части. Управляющим элементом контроллера является 8-ми

разрядный

микропроцессор AT90S8515. Работа с платой контроллера предусмотрена в 6-ти лабораторных

работах в качестве цифрового осциллографа, частотомера или управляющего сигнала широтно-

импульсной модуляции (ШИМ).

В ЛР№ 1 рассматривается устройство контроллера как модуля ИИС и особенности

программного интерфейса, а также ознакомление с режимом работы “Цифровое

осциллографирование”. Этот режим используется и при проведении последующих лабораторных

работ, и позволяет записывать (по 8-ми аналоговым каналам) и исследовать форму контролируемых

электрических сигналов и их параметры. Запись кадров на жёсткий диск в режиме ‘Осциллятор’

осуществляется в форматах *.bmp и/или *.m (MATLAB).

Организация 3-х независимых каналов широтно-импульсных модуляторов (ШИМ), которые

могут быть примером управляющих сигналов обратных связей в ИИС, рассмотрены в ЛР№

Измерение частоты внешних сигналов, оборотов двигателя, исследование электрического

интерфейса оптического датчика отражено в ЛР№ 3.

Информационно-измерительная система, выполняющая контроль и обработку аналоговых

сигналов, как правило, имеет в своём составе блок аналого-цифрового преобразования (АЦП), а при

контроле нескольких сигналов - узел электронного коммутатора (мультиплексор). Исследование

работы этих узлов приведено в ЛР№

4,5. Экспериментальный образец контроллера имеет внешнее

параллельное АЦП (10bit), аналоговый коммутатор (8x1), расположенные в сокетах (панелях).

В ЛР№6 исследуются приборы оптоэлектроники, рассматриваются примеры практической

реализации гальванической развязки дискретных и аналоговых сигналов.

Электрические интерфейсы датчиков температуры и температурная зависимость P-N-перехода

рассмотрены в ЛР№ 7.

На плате контроллера предусмотрен разъём для подключения программатора, и разъём

сопряжения

с PC по последовательному коммуникационному порту, что позволяет использовать

плату как тренажёр для создания программ для микроконтроллеров архитектуры AVR.

В процессе выполнения работ, слушателям курса предоставлена практическая работа с

внешними измерительными приборами осциллографом, генератором, электронным мультиметром на

базе дополнительного лабораторного стенда SSJKS1.

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 1.

ИИС на примере контроллера SSJKS4. Интерфейс. Цифровое осциллографирование.

Цель работы: Практически ознакомиться с модулем ИИС на базе контроллера SSJKS4,

программным интерфейсом, принципиальной и монтажной схемой.

1. Основные узлы контроллера SSJKS4.

Информационно-измерительная система (ИИС) может состоять как из отдельного модуля с

блоком индикации, так

и в комплексе с PC, имея мощный программный интерфейс и аппаратную

часть.

В данной лабораторной работе, на примере ИИС, будет рассматриваться одноплатный

контроллер SSJKS4, являющийся экспериментальной разработкой каф. КСУ. Блок может быть

использован в качестве макетной платы для отработки (отладки) программного обеспечения как для

микроконтроллера AVR AT90S8515, так и для управляющих программ со стороны PC. Как

экспериментальный образец и учебное пособие, плата контроллера имеет внешний АЦП (10bit),

аналоговый коммутатор (8x1), расположенные в сокетах, а также разъём для подключения

программатора.

При наличии ПО версии [SSJKS_4_YKA _28.05.2003 for AVR & WinNT] контроллер имеет

следующие характеристики:

Выходные сигналы контроллера, управляемые с PC:

ШИМ1 (8р), Fpwm = 100 Hz (синхронизация с сетью).

выход 1 – TTL;

выход 2 – транзисторная оптопара;

ШИМ2 (8р), Fpwm = 100 Hz.

выход 1 – TTL;

выход 2 – транзисторная оптопара;

ШИМ3 (8р), Fpwm = 15kHz.

выход 1 – TTL;

выход 2 – транзисторная оптопара;

Реле (одна группа нормально разомкнутых контактов, Iн=5А)

Входные сигналы контроллера:

- 8 аналоговых входов (АЦП 1113ПВ1, 10bit, 30mks).

Uвх = -5V…+5V;

вход подключения датчика Холла (используется для измерения частоты

сигналов в двух диапазонах: 0,45 Hz …100 Hz и 100 Hz …65 kHz .

Параметры входного сигнала: прямоугольные импульсы амплитудой ±3V…±10V или

прямоугольные импульсы TTL - уровня.

Контроллер сопрягается с PC по COM-порту.

CPU – AVR AT90S8515;

PWR – U1= +5V (In=50ma), U2= +12V (In=40ma), U3= -12V (In=10ma);

Результаты снятия данных по аналоговым каналам сохраняются в форматах *.BMP , *.m

(MATLAB).

Макс.частота смены кадров в режиме осциллографа – 3 кадра в сек.

На рис.1 представлена блок-схема контроллера.

Рис.1

Управляющим элементом контроллера является 8-ми разрядный микропроцессор AT90S8515.

Процесс аналогового ввода организован с применением микросхем 10-ти разрядного АЦП (DA1 –

1113ПВ1) с параллельным выходом и аналоговым коммутатором 8 x 1 (DA3 – CD4051). Для

управления АЦП микропроцессор использует два сигнала управления (DAT и RST). Переключение

аналоговых каналов осуществляется 3-мя сигналами Mx0 – Mx2. Цифровой 10-ти разрядный код с

АЦП поступает на CPU DD1 (см.

рис.2). Разряды AD0-AD7 распределены на порт [PA], разряды

AD8-AD9 на порт [PC] CPU.

На элементах R1, R7, VD1, C3 организован узел сброса микропроцессора по включению

питания. R1, C3 определяют время сброса.

Радиоэлементы QW1, C1, C2 представляют собой частото-задающий генератор. Частота

кварцевого резонатора QW1 - 7372,8 KHz, выбрана для организации стандартных скоростей приёма-

передачи 9600…115200 бод.

Рис. 2

Малошумящий операционный усилитель DA2 включен по схеме повторителя и служит для

согласования выхода аналогового мультиплексора [3]DA3 со входом [13]DA1 АЦП (см.рис.3).

Транзисторные ключи на элементах VT7 – VT9 формируют адресные сигналы амплитудой

+12V для переключения аналоговых каналов (по ТУ м/с CD4051BCN ).

Рис. 3

Три выходных сигнала ШИМ (широтно-имульсных модуляторов) PWM1-PWM3 организованы

программно, и имеют гальваническую развязку с внешними устройствами (рис.4). Для визуального

контроля состояния каналов ШИМ, последовательно с излучателями оптронов включены светодиоды

VD4-VD6.

Рис. 4

Сигналом [Urel] с процессора, осуществляется управление коммутацией реле K1,

расположенного на плате контроллера. Нормально разомкнутые контакты реле K1 выведены на

разъём XR8 (см.рис.5).

Рис. 5

Один из вариантов сопряжения контроллера с PC представлен на рис.6. По стандарту RS-232C

уровни сигналов на выходах передатчика/приёмника PC должны быть в диапазонах -12...-5 В и

+5...+12 В для представления единицы “1” и нуля “0” соответственно. В схеме использована м/с

MAX232 преобразователь сигналов TTL-уровня в соответствующие стандарту сигналы. Даная схема

не обеспечивает гальванической развязки с PC.

Рис. 6

На рис.7 приведена монтажная схема контроллера в масштабе M1:1.

Рис. 7

Назначение коммуникационных разъёмов:

XR1 – разъём для подключения программатора и др. внешних устройств:

[1] – RST;

[2] – SCK;

[3] – MISO;

[4] – NC;

[5] – MOSI;

[6] – GND.

XR2 – разъём для подключения блока сопряжения с COM-портом PC:

[1] – (+5V);

[2] – GND;

[3] – TxD;

[4] – RxD.

XR3 – разъём подключения питающих напряжений:

[1] – (+12V);

[2] – (-12V);

[3] – GND;

[4] – (+5V).

XR4 – разъём подключения внешнего сигнала для измерения частоты:

[1] – анод излучающего диода;

[2] – катод излучающего диода или общий провод (GND) для входного сигнала Fxx;

[3] – анод фотоприёмника или вход измерения частоты Fxx (см. параметры входных

сигналов);

[4] – катод фотоприёмника.

XR6 – разъём подключения аналоговых входов (каналы Сh0-Ch7):

[1] – аналоговый вход, канал Ch4;

[2] – аналоговый

вход, канал Ch6;

[3] – аналоговый вход, канал Ch7;

[4] – аналоговый вход, канал Ch5;

[5] – аналоговая земля, AGD;

[6] – аналоговый вход, канал Ch2;

[7] – аналоговый вход, канал Ch1;

[8] – аналоговый вход, канал Ch0;

[9] – аналоговый вход, канал Ch3;

[10] – аналоговая земля, AGD.

XR7 – разъём выходов ШИМ (TTL - уровень):

[1] – PWM3 (15kHz);

[2] – PWM2 (100Hz);

[3] – PWM1 (100Hz, с синхронизацией от сети).

XR8 – разъём контактов реле (нормально разомкнуты):

[1] – K1.1;

[2] – K1.2.

XR9 – разъём выходов ШИМ (с гальванической развязкой через

оптопару):

[1]

– PWM3 (коллектор транзистора оптопары VO4);

[2]

– PWM3 (эмиттер транзистора оптопары VO4);

[3]

– PWM2 (коллектор транзистора оптопары VO3);

[4]

– PWM2 (эмиттер транзистора оптопары VO3);

[5]

– PWM1 (коллектор транзистора оптопары VO2);

[6]

– PWM1 (эмиттер транзистора оптопары VO2).

Программный интерфейс контроллера SSJKS4.

Запустите исполнительный файл [SSJKS_4YKA.exe]. На экране появляется панель управления

контроллера, прямоугольная форма 800x600 pic (рис.8).

Верхняя строка меню OPTIONS / HARDW / ABOUT.

<OPTIONS>: - выбираем и подключаем последовательный порт COM1 или COM2;

- выбираем тип сохраняемых файлов (ОСЦИЛЛОГРАМ) *.bmp и/или *.m(MATLAB);

Рис. 8

<HARDW>:

- слайд платы контроллера SSJKS_4 c подсказкой о назначении коммуникационных разъёмов;

Рис. 9

кн. <Принтер> – в данной версии отключена.

кн. <Цвет пера и экрана осциллографа> – переключает режим осциллографа COLOR / MONO.