5. Выбор АЦП и ЦАП

В классической теории управления техническими объектами рассматривают различные варианты схем систем управления с Универсальной вычислительной машиной (УВМ) в контуре. Наиболее типичный вариант схемы представлен на рисунке 7.

Рисунок 7 - Структурная схема системы управления

Система, приведенная на рисунке 7, работает следующим образом. Под действием управления U (t) объект движется по программной траектории. Однако случайные, неуправляемые возмущения F (t) отклоняют его движение от заданного. Отдельные компоненты вектора состояния объекта X_изм (t) измеряются датчиками, затем квантуются по амплитуде и по времени аналого-цифровыми преобразователями (АЦП) и передаются в управляющую цифровую вычислительную машину (УЦВМ).

Последняя, преобразовав измеренную входную информацию по заданному алгоритму, подает на узел сравнения вектор вычисленного воздействия Y_выч (t), соответствующий состоянию объекта на момент измерения. Узел сравнения вырабатывает сигнал ошибки a (t) и передает его исполнительным механизмам. Сформированное исполнительными механизмами управление U (t), воздействуя на объект, возвращает его на программную траекторию.

Для взаимодействия УЦВМ с исполнительными устройствами необходимо наличие в системе цифроаналоговых преобразователей (ЦАП).

Очевидно, что УЦВМ, включенная в контур рассмотренной системы управления, должна удовлетворять следующим требованиям:

осуществлять возложенные на нее вычисления с точностью, позволяющей системе нормально выполнять свои функции;

проводить обработку входной информации в темпе работы системы. Иначе говоря, УЦВМ должна выдавать результаты с требуемой точностью и работать в реальном масштабе времени, т.е. работать под управлением операционной системы реального времени (ОС PB).

Для выбора преобразователей (ЦАП и АЦП) требуется знать два основных параметра: минимальное число разрядов и быстродействие.

Для расчета числа разрядов n_b воспользуемся требованиями к точности системы, формула для расчета выглядит следующим образом:

или (23)

следовательно, для нахождения требуемого количества используем формулу:

(24)

Тогда: n_b =log₂200 ? 7,6 => n_b = 8 разрядов.

Видно, что для выполнения условия по точности системы достаточно 8 разрядов преобразователя.

Быстродействие преобразователей должно соответствовать быстродействию объекта управления. В рассматриваемом случае время преобразования должно быть не более чем t_k = 0,25 с.

Очевидно, что и время вычисления управляющего воздействия контроллером УЦВМ не должно превышать полученное значение tk = 0,25 с.

При этом функцию вычисления сигнала ошибки a (t) может выполнять тот же контроллер. Тогда структурную схему системы управления можно представить в виде, показанном на рисунке 8.

После ЦАП необходимо установить усилитель У, чтобы обеспечить подачу на двигатель напряжения до 48 В, так как на выходе ЦАП обычно не более 10-12 В.

Рисунок 8 - Упрощенная структурная схема системы управления.

Исходя из выявленных требований к числу разрядов и быстродействию в качестве АЦП в системе можно использовать, например, модуль А116-5А

Модуль A116-5А выполнен в стандарте Micro PC и предназначен для преобразования 16 аналоговых сигналов напряжения или 8 сигналов тока в 14-разрядный цифровой код. Все входы - выходы платы гальванически изолированы от системы (групповая изоляция), а аналоговые входы имеют защиту от перенапряжения.

Основные характеристики модуля А116-5А:

16 однопроводных или 8 дифференциальных входов (программируемый тип подключения входов);

14-разрядный АЦП (AD7894-10).

Программируемый коэффициент усиления по любому входу (хранится в регистре):

1, 2, 4, 8 (диапазон I, PGA206);

1,10,100,10001 (диапазон II, PGA204).

Диапазоны входных напряжений/токов (с учетом усиления):

диапазон I: ±10 В; ±5 В; ±2,5 В; ±1,25 В;

±80 мА; ±40 мА; ±20 мА; ±10 мА

диапазон И: ±10 В; ±1 В; ±0,1 В; ±0,01 В;

±80 мА; ±8 мА; ±0,8 мА; ±0,08 мА.

Защита от перенапряжения (ADG439F): - 35/+50 В.

Пропускная способность (по DMA или при работе с FIFO):

100000 выборок в секунду (для диапазонов I)

40000/33000/7500/800 выборок в секунду (для диапазона II)

Входное сопротивление: >10 M (напряжение).

Аппаратное усреднение 2, 4, 8, 16 выборок.

Случайная погрешность измерения без усреднения: ±2 МЗР.

Случайная погрешность измерения с усреднением: ±0,5 МЗР

FIFO (CY7C429).

Авто-сканирование входов и выходов.

2 однопроводных выхода (AD7249 + AD6941).

12-разрядная точность.

Диапазон (установка перемычками):

0-5 В; ±5 В; 0-10 В;

0-20 мА; 4-20 мА; 1

Таймер: 16-бит (1 мс или 10 мс).

Цифровые выходы: 8 (время установки 1,6 мс)

(совместимость с AIMUX-32, MUX-16).

Разделяемые линии прерываний (5) и каналы DMA (2). Напряжение изоляции: 1000В (все входы-выходы от системы). Подключение кабелем СМА-20 (с терминальными платами) или напрямую (без терминальных плат).

Старт АЦП: программный, аппаратный (от таймера).

Считывание из АЦП:

опрос (ADC ready, FIFO/SRAM full);

по прерыванию (ADC ready, FIFO/SRAM full);

по каналу DMA (ADC ready).

Напряжение питания +5 В ± 5 %.

Ток потребления по +5 В до 400 мА.

Рабочий температурный диапазон - 40. +85°С.

Температура хранения - 55. +90°С.

Относительная влажность воздуха 95 % при +25°С.

Среднее время наработки на отказ 100 000 часов.

Аналогично, в качестве ЦАП в системе можно использовать, например, модуль AO-16.

Модуль АО-16 выполнен в стандарте Micro PC и предназначен для преобразования 12-разрядных цифровых кодов в аналоговые сигналы напряжения или тока. Все аналоговые выходы изолированы от системы и имеют общий изолированный источник питания (групповая изоляция).

Основные характеристики модуля АО-16:

количество аналоговых выходов напряжения и/или тока16;

время установления аналоговых выходов для всего диапазона 10 мкс (напряжение),20 мкс (ток);

скорость цифроаналогового преобразования для одного канала 100000 выб. /с;

скорость цифроаналогового преобразования для N каналов 100000/W выб. /с;

диапазоны выходных напряжений: ± 5; 0-5; 0-10; ± 10В;

диапазон выходных токов: 0-20; 4-20 мА;

нагрузка для выходов напряжения 2 кОм;

нагрузка для выходов тока 150 Ом;

2 выхода УНЧ 1 Вт на нагрузке 8 Ом;

FIFO выборок 1024 слов (2048 байт);

16 изолированных цифровых выходов (установка 10 мкс);

16-разрядный таймер с внутренней частотой: 100 кГц, 1 мГц;

5 разделяемых линий аппаратных прерываний IRQ [7-3];

2 линии запросов канала DMA DRQ 1/3;

групповая оптоизоляция от системы 1000 В;

напряжения питания 5 В ±5 %.

Максимальный ток потребления по +5 В:

для конфигурации Vl 6 - 550 мА;

для конфигурации V8 - 350 мА;

для конфигурации С16 - 620 мА;

для конфигурации С8 - 390 мА.

Рабочий температурный диапазон - 40. +85°С.

Температура хранения - 55. +85°С.

Влажность 95 % при температуре +25°С.

Среднее время наработки на отказ 100 000 ч.

Подсоединение аналоговых выходов модуля производится кабелем СМА-20 (2) через вилки J2, J3 (для подключения под винт или зажим, дополнительно требуются терминальные платы типа ТВ-20). Аналоговые сигналы подключаются одним проводом к соответствующим контактам. Подключение цифровых выходов DGT [15-0] осуществляется кабелем СМА-26 через разъем J4.

В качестве контроллера можно использовать, например, модуль центрального процессорного устройства CPU 686Е рисунок 9.

Рисунок 9 - плата контроллера

Составные части CPU 686Е:

процессор Geode GXl-300, имеющий 32-битовое ядро, 64-битовый арифметический сопроцессор, 64-битовую шину памяти, кэш-память 1-го уровня размером 16 кбайт;

чипсет СХ5530, содержащий видеоконтроллер с аналоговым и цифровым RGB выходом, IDE контроллер, контроллер USB и звука;

оперативное запоминающее устройство, имеющее синхронную динамическую память (SDRAM) размером 32/ 128 Мбайта;

постоянное запоминающее устройство (FLASH BIOS), имеющее для хранения базовой системы ввода-вывода микросхему FLASH памяти размером 512 кбайт, для хранения операционной системы, кодов программ и долговременной информации в модуле микросхему FLASH памяти размером 8 Мбайт с поддержкой файловой структуры;

видеопорт, позволяющий подключать аналоговые ЭЛТ-мониторы;

контроллер Ethernet обеспечивает подключение к сети Ethernet 10\100 Base-T стандарта IEEE 802,3 через разъем RG-45, в котором установлены два стандартных разъема для подключения устройств с интерфейсом USB;

FLASH-диск;

порт для подключения IDE устройств, который имеет встроенный контроллер IDE-устройств модуля CPU 6S6E, позволяющий подключать накопители на жестких магнитных дисках и оптических дисках (CD ROM);

универсальный параллельный порт, который поддерживает работу в режимах SPP, ESP, ЕРР;

последовательные порты (J1, J2) в составе двух асинхронных последовательных портов СОМ1, COM2 совместимых с микросхемой 16450\16550А. Порт COMl может работать в сети RS232 (разъем Jl), порт COM2 - в сети RS232 (разъем J2) или использоваться для подключения устройств с инфракрасным интерфейсом. Максимальная скорость обмена по RS232 до 200 кбит/с; порт PS/2 для подключения клавиатуры и мыши;

АТ-совместимые часы реального времени и установленную литиевую батарейку с ресурсом не менее 10 лет.

Рисунок 10 - Схема УВМ

Последовательное перепрограммируемое постоянное запоминающее устройство (SEPROM), которое используется для хранения резервной копии параметров конфигурации модуля CPU 686Е. Запись в SEPROM производится автоматически после изменения параметров, CMOS. Загрузка параметров из SEPROM производится также автоматически при неисправности или отсутствии литиевой батарейки.

Супервизор, отслеживающий сбои напряжения питания и сторожевой таймер (WDT) с фиксированным временем срабатывания 1,6 с. Супервизор формирует сигнал RESET при понижении напряжения питания от уровня 3,3 В ниже 3 В, а также NMI при понижении напряжения питания 5 В ниже 4,75 В. Сторожевой таймер также формирует сигнал сброса RESET и может использоваться для исключения программных зависаний. Активизация, сброс и блокирование WDT осуществляются программно.

Модуль удаленного сброса и прерывания, имеющий два дискретных изолированных входа с активным уровнем от 4 до 12 В, которые могут быть использованы для формирования внешнего сброса и прерывания процессора.

Технические характеристики CPU 686Е:

производительность Р55С-250;

питание 5В+-5 %, ток потребления 2 А без внешних устройств;

диапазон рабочих температур от - 40 до +70°С;

диапазон температур хранения от - 55 до +85°С;

относительная влажность до 95 % без конденсации;

среднее время наработки на отказ не менее 100 ООО ч.

Схема подключения внешних устройств к модулю контроллера приведена на рис.5.6.

УВМ должна выдавать результаты с требуемой точностью и работать в реальном масштабе времени. Работа УВМ в реальном масштабе времени обеспечивается операционной системой реального времени (ОС PB), являющейся фундаментом базового программного обеспечения любой ЭВМ. ОС PB должна обеспечивать полный цикл жизни программного обеспечения: создание текста программы, ее компиляцию, построение, отладку, исполнение и сопровождение. Требования, которым должны удовлетворять любые ОС PB, изложены в стандарте POSIX 1003.4 (Real Time Extensions for Portable Operating Systems) рабочего комитета IEEE, утвержденном ISO/IEC как международный стандарт 9945.

В настоящее время известно несколько десятков ОС PB, более половины имеют поддержку архитектуры процессоров Intel х86. К широко известным и имеющим многочисленные внедрения и дилерскую поддержку в России можно отнести следующие ОС PB:

VxWorks, разработчик Wind River Systems;

QNX, разработчик QNX Software Systems Ltd;

OS-9, разработчик Microware Systems Coip.;

RTOS-32, разработчик On Time Software;

RTX for Windows NT and Windows СЕ, разработчик VenturCom;

Windows CE и Windows NT Embedded, разработчик Microsoft Corp.

Все OC PB имеют поддержку языка С, как основного языка разработчиков систем реального времени, и библиотеки графических функций для создания удобного пользовательского интерфейса для устройств отображения. Некоторые ОС PB, например QNX, имеют встроенные графические оболочки.

Для систем реального времени важным параметром является размер системы исполнения, а именно суммарный размер минимально необходимого для работы приложения системного набора (ядро, системные модули, драйверы и т.д.). Например, размер ядра операционной системы реального времени OS-9 на микропроцессорах МС68ххх - 22 кбайт, QNX - 20 кбайт VxWorks - 16 кбайт. Другим важным свойством ОС PB является возможность исполнения системы из ПЗУ. Оно позволяет создавать компактные встроенные системы реального времени повышенной надежности, с ограниченным энергопотреблением, без внешних накопителей.

Кроме того, одним из главных вопросов, который приходится решать при выборе ОС, является стоимость. Недорогими являются 0S9, QNX.

В качестве ОС PB для УВМ в рассматриваемом случае можно выбрать операционную систему QNX 6.1, так как она соответствует требованиям системы управления, совместима с выбранными аппаратными средствами, распространяется бесплатно и имеет региональную дилерскую поддержку.