Проектирование системы сбора данных

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]

Страницы: 1, 2