Архив / 1996 / №3 / 

Удаленные компьютерные системы сбора информации с датчиков на базе однокристальных микроэвм

Как известно, для автоматизированного сбора и обработки электрических сигналов, поступающих с различного рода датчиков (температуры, давления, частоты вращения, счетчиков количества жидкости или газа, вибрации и т.п.) широко используются компьютерные системы, оснащенные преобразователями таких сигналов; в цифровую форму (АЦП, таймерами/счетчиками, коммутаторами и др.). Если до недавнего времени все эти преобразователи располагались на плате, которая вставлялась в компьютер и управлялась процессором компьютера, а сигналы с датчиков передавались непосредственно в компьютер (а именно - в вышеупомянутую плату) по достаточно длинным проводам (при значительном удалении датчиков от компьютера), то в последнее время такая структура систем сбора перестала удовлетворять пользователей. Во-первых, потому, что при передаче по длинным линиям многие сигналы (например, аналоговые) передаются со значительными искажениями (во многих случаях недопустимо высокими), а во-вторых, из-за невозможности встраивания подобных плат в компьютеры типа notebook (в которых нет для этого места), иногда являющимися единственно возможными для использования (например, в бортовых системах сбора). Свободными от этих недостатков явились новые, так называемые удаленные системы сбора (удаленные от компьютера и, естественно, приближенные к источникам сигналов, т.е. к датчикам). Эти системы конструируются на базе одноплатных микроэвм, наиболее совершенными из которых на настоящее время являются так называемые микро-PC. В состав микро-PC входит материнская плата IBM-совместимого компьютера, уменьшенная в несколько раз, оснащенная современным мощным и быстродействующим процессором X86 (например, 386 или 486). С материнской же платой уже сопрягается вышеупомянутая плата, предназначенная для сбора сигналов с датчиков.

С компьютером микро-PC обычно сопрягается с помощью какого-либо последовательного интерфейса, например, RS232. Удаленные системы сбора на базе одноплатных микро-PC,  к сожалению, также не лишены недостатков, одним из которых является очень  высокая стоимость самой микро-PC (как минимум равная стоимости стандартного IBM-совместимого компьютера, а подчас в несколько раз больше). Применение таких удаленных систем целесообразно лишь в случае сбора сигналов с очень большого количества датчиков (100 и более), когда требуется высокоскоростная обработка поступающих сигналов. В случае, когда сигналов немного - десятки или даже единицы, применять системы на базе микро-PC нецелесообразно («стрельба из пушки по воробьям»). С другой стороны существует масса задач, где как раз и требуется именно удаленная компьютерная система сбора сигналов с небольшого количества датчиков. Здесь на помощь приходят однокристальные микроэвм. Однокристальные микроэвм - микрокомпьютеры, расположенные одной микросхеме. В состав такой микроэвм входят основные атрибуты компьютера - память, процессор, различные периферийные устройства, интерфейсы (например,для связи с другим компьютером). В последнее время в такую микросхему стали встраивать даже многие атрибуты систем сбора (АЦП, счетчики и генераторы импульсов, параллельные и последовательные порты и др.). Стоимость однокристальных микроэвм - десятки и даже единицы долларов. Они не обладают такими колоссальными быстродействием и памятью, как микро-PC, но это от них и не требуется.

Применение однокристальных микроэвм в удаленных системах сбора сигналов с небольшого количества датчиков - наиболее целесообразно и оптимально. Помимо сравнительно низкой стоимости, однокристальные микроэвм обладают рядом преимуществ по сравнению с микро-PC, среди которых малые габариты, ультранизкое потребление энергии и простота сопряжения с самыми разнообразными периферийными устройствами сбора сигналов с датчиков. Кроме того, работая совместно с компьютером, однокристальные микроэвм превращаются в достаточное мощное и гибкое средство сбора и обработки иформации, поступающей с датчиков.
Основная идея применения однокристальных микроэвм в удаленных системах сбора заключается в том, что программа работы однокристальной микроэвм передается в нее из компьютера по последовательному интерфейсу (кабелю), а результаты работы этой программы передаются в компьютер по этому же кабелю и полноценно обрабатываются компьютером.

Удаление системы сбора от компьютера может достигать десятков и даже сотен метров; при этом, поскольку передача информации осуществляется в цифровом виде, потерь информации нет.

В качестве примера удаленной системы сбора на базе однокристального микроконтроллера (так в последнее время называют однокристальные микроэвм), приведем одну из выпускаемых в настоящее время систем, предназначенную для калибровки и поверки расходомеров жидкости и газа.
Система позволяет вводить 8 аналоговых и 16 частотных сигналов с соответствующих датчиков (одновременно) и имеет 2 дискретных канала: один - вывода и один - ввода, предназначенные для синхронизации работы с объектом.

Структурная блок-схема системы приведена на рис. 1.

Рис.1. Структурная блок-схема удаленной компьютерной системы измерения, регистрации и обработки частотных и аналоговых сигналов (АСИР) на  базе однокристального микроконтроллера.
Рис.1. Структурная блок-схема удаленной компьютерной системы измерения, регистрации и обработки частотных и аналоговых сигналов (АСИР) на базе однокристального микроконтроллера.

Основой системы является устройство сбора и предварительной обработки аналоговых и частотных сигналов, к которому подсоединяются кабели от датчиков и которое сопрягается с компьютером по интерфейсу RS232, оборудованным оптронными развязками на максимальное пробивное напряже-ние до 3000 вольт. Скорость обмена информацией по интерфейсу - 57600 бод. В устройстве примененоднокристальный микроконтроллер P80C552 (фирмы Philips)со встро-енным 8-канальным 10-битным АЦП. Устройство содержит внешнюю память программ и данных.

Отличительная особенность системы сбора - ее программируемость, т.е. возможность оперативного изменения программы однокристального микроконтроллера, которая передается из компьютера и записывается в память. Это позволяет приспосабливать устройство сбора к самым различным задачам (т.е. оно достаточно универсально). Программное обеспечение, написанное на компьютере, также может легко изменяться, и поэтому вся система сбора является исключительно гибкой в программном отношении и может использоваться для самых различных целей. Программное обеспечение длякомпьютера написано на относительно новом языке программирования Clarion,являющемся одним из самых скоростных языков высокого уровня (скорость его работы несколько выше, чем даже ТурбоСИ ++), а интерфейс с оператором (выпадающие меню, возможность работы с мышью и др.) необычно прост и удовлетворит самого взыскательного пользователя. Разработанный новый бит-асинхронный байт-синхронный алгоритм обмена по интерфейсу RS232 (когда приемником синхронизируется каждый передаваемый байт) позволил в несколько раз повысить надежность обмена, что исключительно важно при передаче программы в однокристальный микроконтроллер (да и в других случаях).

Необходимо отметить, что поскольку интерфейс RS232 присутствует в любом персональном компьютере, начиная от XT и кончая Pentium’ом, то система сбора одинаково хорошо работает на любом компьютере. Дизайн системы сбора выполнен на современном уровне.

В корпусе системы сбора поми-мо основной платы расположены блок питания и микровентилятор. Отметим также, что области применения описанной системы сбора не ограничиваются одними лишь расходомерами.

Вот лишь некоторые из них, в которых системы сбора могут найти применение.

– Автоматизированная градуировка, калибровка и поверка расходомеров и счетчиков количества жидкостей и газов, а также теплосчетчиков.
– Автоматизированная обработка показаний датчиков температуры и давления.
– Автоматизированная обработка показаний датчиков, измеряющих гидродинамические параметры турбулентных потоков: скорости, давления, сил и т.п. (микровертушки, тензо- и термодатчики и т.д.), используемых в научных исследованиях.
– Вибродиагностика.
– Медицина (автоматизированная обработка показаний датчиков, измеряющих медико-биологические параметры человека: частота дыхания и сердечных сокращений, кровяное давление, биотоки мозга и т.п.).
– Автоматизированные системы управления технологическими процессами производства (технологические линии).

Этим, разумеется, не исчерпываются все области применения систем сбора; спектр их применения, как можно догадаться, гораздо шир

Алексей Кузьминов