Программирование и комп-ры

Проектирование системы сбора данных


  ФИЛИАЛ МОСКОВСКОЙ ГОСУДАРСТВЕННОЙ АКАДЕМИИ ПРИБОРОСТРОЕНИЯ И ИНФОРМАТИКИ
                                 В Г. УГЛИЧ



              Кафедра «ТОЧНЫЕ ПРРИБОРЫ И ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЕ СИСТЕМЫ»



                               КУРСОВОЙ ПРОЕКТ
                                по дисциплине
                  «Микропроцессорная измерительная техника»
               на тему : «Проектирование 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        |7  |
|4.1 Выбор микропроцессорного комплекта                                     |   |
|4.1.1 Аппаратное сопряжение ПК и микроконтроллера                          |7  |
|4.1.2 Выбор кварцевого резонатора                                          |7  |
|4.1.3 Выбор скорости приема/передачи по RS-232                             |8  |
|4.1.4 Разработка формата принимаемых и передаваемых данных по RS-232       |8  |
|4.2 Выбор буфера RS-232……………………………………………………………….                           |9  |
|4.3 Выбор АЦП.                                                             |9  |
|4.3.1 Расчет погрешности вносимой АЦП.                                     |10 |
|4.4 Выбор сторожевого таймера.                                             |11 |
|4.5 Выбор интегральной микросхемы операционного усилителя                  |12 |
|4.5.1 Расчет погрешностей от нормирующего усилителя                        |12 |
|4.6 Выбор и расчет внешних элементов гальванической развязки               |14 |
|                                                                           |16 |
|5. АПРОКСИМАЦИЯ СТАТИЧЕСКОЙ ХАРАКТЕРИСТИКИ НЕЛИНЕЙНОГО ДАТЧИКА             |18 |
|5.1 Оценка погрешности от аппроксимации                                    |   |
|                                                                           |19 |
|6. ВЫБОР ФОРМАТА ДАННЫХ                                                    |20 |
|6.1 Оценка погрешности от перевода коэффициентов                           |20 |
|7. ОЦЕНКА ПОГРЕШНОСТЕЙ                                                     |21 |
|8. РАСЧЕТ ПОТРЕБЛЯЕМОЙ МОШНОСТИ ОСНОВНЫМИ ЭЛЕМЕНТАМИ СХЕМЫ                 |   |
|                                                                           |22 |
|ПРИЛОЖЕНИЯ                                                                 |   |
|Приложение 1                                                               |23 |
|Приложение 2                                                               |24 |
|Приложение 3                                                               |25 |
|Приложение 4                                                               |26 |
|Приложение 5                                                               |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 каналов подключения датчиков     |4                          |
|давления                                    |                           |
|Количество линейных датчиков                |3                          |
|статическая характеристика                  |U(p)=a0p+b  a0=0.1428      |
|диапазон измеряемого давления               |b=-0.71                    |
|собственная погрешность измерения           |5..50 КПа                  |
|                                            |0.1%                       |
|Количество нелинейных датчиков              |1                          |
|статическая характеристика                  |U(p)=a0p+a1p2+a2p3+b       |
|                                            |a0=0.998, a1=0.003         |
|диапазон измеряемого давления               |a2=-0.001 b=-2.5           |
|собственная погрешность измерения           |0.01..5 Мпа                |
|                                            |0.1%                       |
|Максимальная погрешность одного канала не   |0.5%                       |
|более                                       |                           |
|Количество развязанных оптоизолированных    |                           |
|входов для подключения датчика контроля за  |1                          |
|давлением                                   |1                          |
|Активный уровень                            |уровень ТТЛШ               |
|Выходное напряжение логического нуля        |уровень ТТЛШ               |
|Выходное напряжение логической единицы      |                           |
|Максимальный выходной ток                   |2.5                        |
|логического нуля мА                         |1.2                        |
|логической единицы мА                       |                           |
|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.
                                    [pic]
                  ДД1,ДД2,ДД3 – линейные датчики давления,
                      ДД4- нелинейный датчик давления,
                 ДКД1, ДКД2 – датчики контроля за давлением
               AD7890 – АЦП, УВХ, ИОН, аналоговый коммутатор,
                             98С51 – микро-ЭВМ,
                           WDT –сторожевой 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 «Считать измеренное  давление  с
датчика N» (где N – 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  —  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 [pic]  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 [pic]с линии 7 порта 1  и  по  положительному
переходу этого  импульса  начинается  процесс  преобразования  напряжение  в
двоичный код, которое поступает от датчика давления – N.  По  истечении  5.9
(с  (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  [pic](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:
• Совместима с однокристальной микро-ЭВМ серии MCS-51™
• 4Kb  ре-программируемой флешь памяти
 - допустимо: 1000 циклов Записи/Стирания
• Рабочий диапазон частоты синхронизации : от 0 Гц до 24 МГц
• 128 x 8-бит встроенного ОЗУ
• 32 программируемых I/O линии
• Два 16-разрядных таймер/счетчика
• Семь источников внешних прерываний
• Программируемый УАПП
• 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 – 8 бит. Частота приема и передачи –  тактовая
   частота микроконтроллера.
 . Режим 1. Информация передается через выход передатчика TxD, а принимается
   через вход приемника RxD. Формат посылки  –  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  –  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 «0» или в «1»,  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
fрез=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 – ноль;
 . восемь бит данных;
 .  девятый  бит  –  контроль  по  паритету,  для  повышения   достоверности
   принимаемой информации;
 . два стоповых бита – 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 – +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
|Параметр            |Минимальный  |Максимальный  |Единица        |
|                    |             |              |измерения      |
|Напряжение питания  |4.5          |5.5           |В              |
|Нижний входной лог. |             |0.8           |В              |
|порог               |             |              |               |
|Высокий входной лог.|2.4          |              |В              |
|порог               |             |              |               |
|RS-232 приемник     |             |              |               |
|Входное допустимое  |-30          |+30           |В              |
|напр.               |             |              |               |
|Входной нижний парог|0.4          |              |В              |
|Входной высокий     |             |2.4           |В              |
|парог               |             |              |               |
|                    |             |Продолжение таблицы 3          |
|RS-232 передатчик   |             |              |               |
|Выходной размах     |-+5          |              |В              |
|напр.               |             |              |               |
|Сопр. Выхода        |300          |              |Ом             |
|передатчика         |             |              |               |
|Температурный       |-40          |+85           |°C             |
|диапазон            |             |              |               |


  Функциональная блок-схема интегральной микросхемы ADM  202E  представлена
на рис.2
         Функциональная блок-схема интегральной микросхемы ADM 202E
                                    [pic]
                                 Рисунок. 2
  4.3 Выбор АЦП.
  В  качестве  аналого-цифрового  преобразователя  послужила   интегральная
микросхема фирмы Analog Devices –  AD7890-2.  Выбор  данной  микросхемы  был
произведен исходя из ТЗ
  Основные характеристики:
• 12-разрядный АЦП, время преобразования 5.9 мкс
• Восемь входных аналоговых каналов
• Входной диапазон :
      от 0 В до +2.5 В
• Раздельный доступ к мультиплексору и к АЦП
• Встроенный источник опорного напряжения +2.5 В (возможно подключение
 внешнего.)
• Высокая скорость, «гибкость», последовательный интерфейс
• Низкая потребляемая мощность (50 мВт максимум)
• Режим пониженного энергопотребления  (75 мкВт).
  Функциональная блок-схема интегральной микросхемы AD 7890-2  представлена
на рис.3



         Функциональная блок-схема интегральной микросхемы AD 7890-2
                                    [pic]
                                  Рисунок 3
      4.3.1 Расчет погрешности вносимой АЦП.
  Аналого-цифровой преобразователь вносит следующие виды погрешностей:
 .  нелинейности  (погрешность  нелинейности-  это  максимальное  отклонение
   линеаризованной реальной характеристики преобразования от  прямой  линии,
   проходящей через крайние точки этой характеристики преобразования АЦП.);
 . дифференциальной нелинейности(погрешность дифференциальной  нелинейности-
    это  отклонение фактической разности  уровней  (входного  сигнала  АЦП),
   соответствующим двум соседним переключениям кода, от идеального  значения
   этой разности, равной 1 МЗР. Для идеального  АЦП  разница  уровней  между
   соседними переключениями кода в точности равна 1 МЗР.);
 . погрешность полной шкалы (погрешность полной шкалы- это отклонение уровня
   входного  сигнала,  соответствующего  последнему  переключению  кода   от
   идеального значения, после того  как  была  откорректирована  погрешность
   биполярного нуля.);
В  табл.  4  приведены  погрешности  взятые  из  каталога,  на  интегральную
микросхему AD7890 фирмы Analog Devices
                                                                   Таблица 4
             Основный погрешности интегральной микросхемы AD7890
|Вид погрешности             |Значение     |%                    |
|Интегральная нелинейность   |(1 МЗР       |0.0244               |
|Дифференциальная            |(1 МЗР       |0.0244               |
|нелинейность                |             |                     |
|Полной шкалы                |(2.5 МЗР     |0.061                |
|Общая ((АЦП)                |             |0,1098               |


  4.4 Выбор сторожевого таймера.
  Т.к. работа системы происходит в автономном режиме и  не  предусматривает
работу оператора с ней, то для случая зависания микро-ЭВМ  в  схему  системы
сбора данных добавляется интегральная  микросхема  MAX690AMJA  –  сторожевой
таймер.  Выполняющая  две  основные  функции:  выведение  МП  из   состояния
зависания и сброс МП при включении питания.
  Основные характеристики интегральной микросхемы МАХ690AMJA:
  • Время сброса: 200 мС
  • Рабочий диапазон напряжения питания: от 1 до 5.5 В
  • Ток потребления: 200 мкА
  • температурный диапазон эксплуатации: от –55 до +125 °C.

  4.5 Выбор интегральной микросхемы операционного усилителя
       Нормирующий усилитель выполнен на аналоговой микросхеме OP-27А
   (операционный усилитель), исполненной в восьми контактном DIP-корпусе.
     Основные хар-ки операционного усилителя OP-27A приведены в табл.5.

                                                                   Таблица 5
            Основные характеристики аналоговой микросхемы ОР-27А
|                                     |V+           |V-          |
|Напряжение питания (UПИТ)В:          |             |            |
|                                     |22           |-22         |
|Напряжение смещения (UСМ)мкВ:        |25 макс.                   |
|Ток смешения (IСМ)нА                 |±40 макс.                  |
|Ток сдвига (IСДВ)нА                  |35 макс.                   |
|Коэффициент озлобления синфазного    |                           |
|сигнала (КООС)                       |501190 макс. (144 Дб)      |
|Коэффициент усиления при разомкнутой |1800000                    |
|обратной связи                       |                           |


  В систему сбора данных входят три  линейных  и  один  нелинейный  датчики
давления.  Выходной  диапазон  напряжения   нелинейного   датчика   давления
составляет -2.5..+2.5, в входной диапазон АЦП – 0..+2.5. Согласовать  уровни
напряжения выхода датчика  давления  и  входа  АЦП  можно  с  помощью  схемы
представленной на рис. 4. Данная схема состоит из:  операционного  усилителя
– DA1, повторителя напряжения – DA2, схемы смещения – R1 и R2, схемы  защиты
– VD1 и VD2.. Для того чтобы не нагружать источник опорного напряжения[1]  в
состав схемы нормирующего усилителя вводится повторитель напряжения.  Данная
схема вносит в ССД погрешность.



                            Нормирующий усилитель
                                    [pic]
                               R1,R2 – 40 КОм,
                                R3 – 20 КОм.
                           VD1, VD2 – схема защиты
                                  Рисунок 4
      4.5.1 Расчет погрешностей нормирующего усилителя
Суммарная погрешность нормирующего  усилителя  складывается  из  погрешности
напряжения смещения ((Uсм), погрешности  тока  сдвига  ((Iсдв),  погрешности
обратного тока диодов (В схеме защиты  используются  диоды  марки  1N914A  с
обратным током утечки IД ОБР.=25 нА.  Рассмотрим  худший  случай,  когда  IД
ОБР.==  2*IД  ОБР.)  ((Iд  обр.),  погрешности  КООС  ((КООС),   погрешности
разброса параметров сопротивлений от номинального значения ((R1 R2 MAX).
  Оценка погрешности от напряжения смещения ((Uсм)
                                (Uсм= Uсм*Ку
  где Ку – коэффициент усиления (в нашем случае Ку=1)
                                 (Uсм=25 мкВ
                                 (Uсм%=[pic]
                                (Uсм%=0.001 %
  Оценка погрешности от обратного тока диодов ((Iд обр )
                               U+д= IД ОБР.*R2
                                  U+д=0.002
                               (Iд обр= U+д*Ку
                                (Iд обр=2 мВ
                               (Iд обр%=[pic]
                               (Iд обр%=0.0016
  Оценка погрешности от КООС ((КООС)
                                   [pic],
  где       Кд – коэффициент усиления дифференциального сигнала (Кд=1);
      КС – коэффициент усиления синфазного сигнала
                                 КС=1/501190
                                КС=1.96*10-6
                            (КООС=UВХ СИН MAX*KC,
  где UВХ СИН MAX – синфазное  максимальное  входное  напряжение  (UВХ  СИН
MAX=2.5 В).
                            (КООС=2.5*1.996*10-6
                                (КООС=7.7 мкВ
                                (КООС%=[pic]
                                (КООС%=0.0003
  Оценка погрешности от тока сдвига ((Iсдв)
                                 U+=IСДВ*R2
  где U+ - см. рис.4
                                 U+= 0.7 мкВ
                                (Iсдв= U+*Ку
                                (Iсдв=0.7 мкВ
                                (Iсдв%=[pic]
                               (Iсдв%=0.00004%
  Оценка погрешности  вносимой  разбросам  сопротивлений  R1  и  R2  от  их
номинального значения.
Для того чтобы уменьшить погрешность выбираем сопротивления  с  отклонениями
от номинального значения ± 0.05%
                              R1MIN= 39,996 Ом
                               R2MAX=40,004 Ом
  Ток протекаемый через R1 и R2 будет
                                    [pic]
  И тогда общая погрешность нормирующего усилителя будет равна
              (НУ=(((R1R1max+(Iсдв+(КООС+(Iд обр+(Uсм)/Ку)*100


                                 [pic][pic]
|(НУ=0.0277778 %                                |(1)       |


  4.6 Выбор и расчет внешних элементов гальванической развязки
  В  качестве  элементов  гальванической  развязки  используется   цифровая
микросхема 249ЛП5 - оптоэлектронный переключатель на основе диодных  оптопар
выполненных в металлостеклянном корпусе.  основные  характеристики  цифровой
микросхемы 249ЛП5 приведены в табл. 5.
                                                                   Таблица 5
             Основные характеристики цифровой микросхемы 249ЛП5
|Электрические параметры                                          |
|Входное напряжение при IВХ=15 мА               |не более 1.7 В   |
|Выходное напряжение в состоянии логического    |0.4 В            |
|нуля                                           |                 |
|Выходное напряжение в состоянии логической     |2.4              |
|единицы                                        |                 |
|Предельные эксплутационные данные                                |
|Входной постоянный ток                         |12 мА            |
|Входной импульсный ток                         |15 мА            |
|Напряжение питания                             |5((0.5) В        |
|Диапазон рабочих температур                    |-60…+85 (С       |


  Принципиальная  схема  подключения  элемента  гальванической  развязки  в
соответствии с ТЗ приведена на рис. 5

              Схема включения элемента гальванической развязки
                           VT1- КТ3102Г(h21Э=100),
                   R2, VT1 –схема усиления входного тока,
                                  Рисунок 5
  Выходной ток ДКД усиливается с помощью транзистора VT1 т.к.  максимальный
выходной ток датчика контроля за давлением меньше, чем входной ток  элемента
гальвано развязки.
  Значения сопротивления R1 можно рассчитать по следующей формуле
                                    [pic]
  при IД=5 мА, а значение сопротивления R2 будет равно
                                    [pic]
  где UБЭ VT1 – напряжение насыщения на переходе база - эмиттер транзистора
VT1;UВХ_МIN – минимальное входное напряжение (2.4 В - уровень ТТЛШ);
      IБ – ток протекающий через базу VT1
                                    [pic]
            где IК – ток протекающий через коллектор VT1 (IК= IД)
                                    [pic]
       5. АПРОКСИМАЦИЯ СТАТИЧЕСКОЙ ХАРАКТЕРИСТИКИ НЕЛИНЕЙНОГО ДАТЧИКА
Уравнение аппроксимированного участка статической характеристики
нелинейного датчика выглядит следующим образом:

|U (p) = a*p + b,               |(2)     |


  где a и b – коэффициенты, представленные в форме  чисел  с  фиксированной
точкой.
  С АЦП приходит 12-ти разрядный код в диапазоне 0..4095,что  соответствует
диапазону входных напряжений  0 ...+2.5 В.
Разрешающую способность по напряжению можно рассчитать как:

|U = код*МЗР(Младший Значащий Разряд) |(3)     |


где МЗР =[pic]
      где   UВХ MAX – максимальное входное напряжение подаваемое на вход
АЦП;
            UВХ MIN – минимальное входное напряжение подаваемое на вход
                                    [pic]

                                    [pic]
  Выразив p из (2) и приняв во внимание (3), формула нахождения давления от
напряжения примет следующий вид:

|[pic]                            |(3)     |

  Для  уменьшения  погрешности  аппроксимации  статическая   характеристика
нелинейного датчика  давления  делится  на  4  равных  отрезка  и  находятся
коэффициенты  a  и  b  (см.  табл.6)  для  уравнения   вида   p(код)=a*код+b
описывающего каждый из этих отрезков.


                                                                   Таблица 6
                     Таблица переведенных коэффициентов
|№ участка   |a10         |b10         |a16         |b16         |
|1           |0.001203    |0.010377    |0.004edf    |0.02a8      |
|2           |0.001206    |0.007413    |0.004f03    |0.01e5      |
|3           |0.001219    |-0.02094    |0.004fe5    |0.055c      |
|4           |0.001245    |-0.101148   |0.005197    |0.19e4      |

  Аппроксимация статической  характеристики  нелинейного  датчика  давления
была произведена с помощью программы MATHCAD 8.0 (см п.5)

  5.1 Оценка погрешности аппроксимации
  Оценка этой погрешности была произведена на  программе  MATHCAD  8.0  (см
п.4), и она составляет (АПР=0.093 %

                           6. ВЫБОР ФОРМАТА ДАННЫХ
  В курсовом проекте выбран формат чисел с фиксированной точкой.
  Для коэффициентов a выделяется три байта под дробную часть  и  один  байт
под целую часть, а для b два байта под дробную часть и один байт  под  целую
часть Для кода достаточно двух байт, а для результата три байта под целую  и
два байта под дробную части соответственно.
  6.1 Оценка погрешности от перевода коэффициентов
  В соответствии с выбранным форматом данных данную погрешность можно найти
так:
                     (пер.коэф=(k*код+(b=2-24*4096-2-16
|(пер.коэф = 0.044 %                         |(4)        |


                           7. ОЦЕНКА ПОГРЕШНОСТЕЙ
  При расчетах в курсовой работе мы оценили погрешности возникающие от АЦП,
аппроксимации, нормирующего усилителя и других. Суммарная  погрешность  всей
ССД равняется сумме найденных погрешностей, то есть:
                        (СУМ=(АЦП+(НУ+(АПР+(пер.коэф
  где       (АЦП – погрешность вносимая от АЦП (см табл.4);
      (НУ - погрешность от нормирующего усилителя (см. ф.(1));
      (АПР - погрешность от аппроксимации(см.п.4);
      (пер.коэф - погрешность от перевода коэффициентов (см. 4)
                         (СУМ=0,1098+??+0.093+0.044
         8. РАСЧЕТ ПОТРЕБЛЯЕМОЙ МОШНОСТИ ОСНОВНЫМИ ЭЛЕМЕНТАМИ СХЕМЫ
  Примерную потребляемую мощность можно найти по формуле
                                 [pic][pic]
  где       РМП – мощность потребляемая МП(РМП=0,1 Вт);
      РАЦП - мощность потребляемая АЦП(РАЦП=0.0050 Вт);
      РWDT - мощность потребляемая сторожевым таймером (РWDT=0.001);
      PБУФ - мощность потребляемая буфером порта RS-232 (PБУФ=0.01);
      PОУ - мощность потребляемая операционным усилителем (PОУ=0.09);
                                    [pic]

                                 ПРИЛОЖЕНИЯ


Приложение 1



                           Точные значения кварцев


|Кратность |Скорость передачи   |Частота кварца (МГц)            |
|          |(Кбод)              |                                |
|          |                    |SMOD=0 (1/64)  |SMOD=1 (1/32)  |
|1         |115,2               |7,3728         |3,6864         |
|2         |57,6                |3,6864         |1,8432         |
|3         |38,4                |2,4576         |1,2288         |
|4         |28,8                |1,8432         |0,9216         |
|5         |23,04               |1,4746         |0,73728        |
|6         |19,2                |1,2288         |0,6144         |
|7         |16,457142           |1,053257       |0,526628       |
|8         |14,4                |0,9216         |0,4608         |
|9         |12,8                |0,8192         |0,4096         |
|10        |11,52               |0,73728        |0,36864        |
|12        |9,2                 |0,6144         |0,3072         |

Приложение 2


                         Возможные значения кварцев


SMOD=0
|Кратность |Скорость передачи   |Частота кварца (МГц)            |
|          |(Кбод)              |                                |
|          |                    |SMOD=0 (1/64)  |SMOD=1 (1/32)  |
|1         |115,2               |7,366503       |7,378725       |
|2         |57,6                |3,673807       |3,698251       |
|3         |38,4                |2,438711       |2,475377       |
|4         |28,8                |1,818014       |1,866903       |
|5         |23,04               |1,443078       |1,504189       |
|6         |19,2                |1,191022       |1,264355       |
|7         |16,457142           |1,009183       |1,094738       |
|8         |14,4                |0,871229       |0,969007       |
|9         |12,8                |0,762533       |0,872533       |
|10        |11,52               |0,674317       |0,796539       |
|12        |9,2                 |0,538844       |0,685511       |

SMOD=1
|Кратность |Скорость передачи   |Частота кварца (МГц)            |
|          |(Кбод)              |                                |
|          |                    |SMOD=0 (1/64)  |SMOD=1 (1/32)  |
|1         |115,2               |3,683252       |3,689363       |
|2         |57,6                |1,836904       |1,849126       |
|3         |38,4                |1,219356       |1,237689       |
|4         |28,8                |0,909007       |0,933452       |
|5         |23,04               |0,721539       |0,752095       |
|6         |19,2                |0,595511       |0,632178       |
|7         |16,457142           |0,504592       |0,547369       |
|8         |14,4                |0,435615       |0,484504       |
|9         |12,8                |0,381267       |0,436267       |
|10        |11,52               |0,337159       |0,398270       |
|12        |9,2                 |0,269422       |0,342756       |



  Приложение 3 ОБОБЩЕННЫЙ АЛГОРИТМ РАБОТЫ



               Нет



                                    Да



  Приложение 5

                         Подпрограмма инициализации


                 MOV SCON,#10010000b ; устанавливается второй режим УАПП
                 SETB 87h,1 ;SMOD=1
                 MOV IP,#00010000b ;высокий уровень приоритета прерывания  у
приема передатчика
                 MOV IE,#10010000b ; разрешаем прерывания


         Подпрограмма записи 12-ти бит в управляющий регистр AD7890

      SETB P1.2 ;Устанавливаем линию SCLK
      SETB P1.4; Устанавливаем линию TFS
      MOV R1,0Ch ; организовываем счетчик переданных бит (12)
      MOV A,R0 ; загружаем а аккумулятор передаваемые биты
MET0: RRC A ; проталкиваем во флаг С передаваемый бит
      MOV P1.1,C ; выставляем передаваемый бит на Р1.1
      ACALL DELAY ;ожидаем
      CPL P1.2 ;инверсия Р1.2
      ACALL DELAY ;ожидаем
      CPL P1.2 ; инверсия Р1.2
      DJNZ R2,MET0
           CPL P1.4

Подпрограмма задержки на 0.006 сек.

DELAY:      MOV R0,C8h


MET1:       NOP

                 DJNZ R0,MET1
                 RET
Подпрограмма задержки на 0.6 сек.

DELAY2:     MOV R0,Ah

`           MOV R1,Ah
MET1: NOP
MET2: NOP
            DJNZ R1,MET2
            DJNZ R0,MET1
            RET

Подпрограмма работы сWDT

      ACALL DELAY2 ;ожидаем
            CPL P1.6
      ACALL DELAY2 ;ожидаем
            CPL P1.6

      Подпрограмма чтения 15-ти бит с линии DATA OUT AD7890

           SETB P1.2 ;Устанавливаем линию SCLK
           SETB P1.3; Устанавливаем линию RFS
           MOV R2,08h ; организовываем счетчик принятых бит  в  аккумулятор
      (если R2=0 – аккумулятор полный
           ACALL DELAY ;ожидаем
           CPL P1.2 ;инверсия Р1.2
           ACALL DELAY ;ожидаем
           CPL P1.2 ;инверсия Р1.2
      MET0: MOV C,P1.0 ; принимаем бит на Р1.0 и отправляем его во флаг
           RLC A ; достаем из флага С принятый бит
           DEC R2
           JZ MET2 ; если байт принят R2=0
           MOV R3,A ; тогда занесем из А в R3 принятый байт
           CLR A ;         и обнулим аккумулятор, если не принят то -
MET2: ACALL DELAY ;ожидаем
           CPL P1.2 ; инверсия Р1.2
           ACALL DELAY ;ожидаем
           DJNZ R2,MET0
           MOV R2,07h ;приняли первые восемь бит, теперь приймем еще семь
           CPL P1.2 ;инверсия Р1.2
MET3: MOV C,P1.0 ; принимаем бит на Р1.0 и отправляем его во флаг
           RLC A ; достаем из флага С принятый бит
           DEC R2
           JZ MET4
           MOV R4,A
           CLR A
MET4: ACALL DELAY ;ожидаем
           CPL P1.2 ; инверсия Р1.2
           ACALL DELAY ;ожидаем
           DJNZ R2,MET3 ;ну  вот,  и   все  готово  младшая  часть  посылки
      находится (8 бит) в R3, а старшая (7 бит) в R4
  CPL P1.4
            ;Подпрограмма выбора коэффициентов нелинейного датчика
               MOV DPL,00h
                MOV DPH,04h
                MOV A,#00001100b
                ANL A,R0
                RL A
                RL A
                CLR 0D4H
                CLR 0D3H
                MOV R0,#0AH
                MOV R1,#04H
M1:             MOV A,#06H
                MOVC A,@A+DPTR
                MOV @R0,A
                INC R6
                INC R0
                DJNZ R1,M1
                END
;Подпрограмма умножения двух байт (регистры R0, R1 - 1-ый банк) на три
(регистры ;R2, R3, R4 - 1-ый банк ), результат помещается в R3, R4, R5, R6,
R7 - 0-ой ;банк.
            MOV R4,#0h
            MOV R5,#0h
            MOV R6,#0h
            MOV R7,#0h
            MOV R3,#0h
            MOV R0,#10h
me1:        SETB 0D3h
            CLR 0D4h
            MOV A,R0
            RRC A
            MOV R0,A
            MOV A,R1
            RRC A
            MOV R1,A
            JNC me2
            MOV A,R4
            ADD A,5h
            MOV 5h,A
            MOV A,R3
            ADDC A,4h
            MOV 4h,A
            MOV A,R2
            ADDC A,3h
            MOV 3h,A
me2:        CLR 0D4h
            CLR 0D3h
            MOV A,R4
            RRC A
            MOV R4,A
            MOV A,R5
            RRC A
            MOV R5,A
            MOV A,R6
            RRC A
            MOV R6,A
            MOV A,R7
            RRC A
            MOV R7,A
            DJNZ r0,MET1
;Подпрограмма сложения пяти байт(R3, R4, R5, R6, R7 - 0-ой банк.
;) с двумя (R2(0Dh),R3(0Eh) - 0-ый банк), результат помещается в R3(13h),
;R4(14h), R5(15h), R6(16h), R7(17h) - 2-ой банк.
      CLR 0D3H ;
      CLR 0D4H  ;
      MOV A,R5
      ADD A,R3
      MOV 12H,A
      MOV A,R4
      ADDC A,R2
      MOV 11H,A
      JNC M1
      MOV A,#01
      ADD A,11H
      MOV 11H,A
      JNC M1
      MOV A,#01H
      ADD A,10H
      MOV 10H,A
      MOV 14h,0Ch
      MOV 13h,0Bh
M1:   CLR 0D3H
      SETB 0D4H
      END
  Подпрограмма передачи пяти байт находящихся в R3 R4 R5 R6 R7.
;Выбор второго банка
      SETB 0D4h
      CLR 0D3h
;Передача первого байта данных
      MOV     A,R7
      MOV     C,P      ;Р - бит четности аккумулятора
      MOV     TB8,C
      MOV     SBUF,A
      MOV     IE,#10010000b  ;Выставляется приоритет прерываний
      NOP
      NOP
      NOP
;Передача 2 байта данных
            MOV     A,R6
            MOV     C,P
            MOV     TB8,C
            MOV     SBUF,A
            MOV     IE,#10010000b
      NOP
      NOP
      NOP
;Передача 3 байта данных
            MOV     A,R5
            MOV     C,P
            MOV     TB8,C
            MOV     SBUF,A
            MOV     IE,#10010000b
      NOP
      NOP
      NOP
;Передача 4 байта данных
            MOV     A,R4
            MOV     C,P
            MOV     TB8,C
            MOV     SBUF,A
            MOV     IE,#10010000b
      NOP
      NOP
      NOP
;Передача 5 байта данных
            MOV     A,R3
            MOV     C,P
            MOV     TB8,C
            MOV     SBUF,A
            MOV     IE,#10010000b
      END



                     8.СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ
  1. Каталог по интегральным микросхемам фирмы ANALOG DEVICES за 1996 год.
-----------------------
[1] В качестве источника опорного напряжения будет использоваться
внутреннее опорное напряжение интегральной микросхемы AD7890. Вклад
погрешности вносимой источником опорного напряжения учитываться не будет.


-----------------------
 Ожидается запрос от ПК (требуется рассчитать и передать давление с датчика
                                     N)

                                   НАЧАЛО


[pic]

                       АЦП преобразовывает сигнал с ДД
                    в двоичный код и передает этот код в
                            МП(по инициативе МП)

      Передача от МП в АЦП данных (переключение нужного канала и запуск
                              преобразования )

 МП выполняет программу расчета давления и передает найденное давление В ПК
                                  по RS-232

                                    КОНЕЦ

[pic]

[pic]

–??/???????–??/????????–??/????????[pic]

[pic]



[pic]




смотреть на рефераты похожие на "Проектирование системы сбора данных"