40

Размещено на http://www.Allbest.ru/

40

Размещено на http://www.Allbest.ru/

СОДЕРЖАНИЕ

Введение

1. Область применения системы и описание технологического процесса

2. Структура системы

2.1 Выбор структуры системы

2.2 Выбор линии вязи

2.3 Выбор структуры сигналов

3. Алгоритм функционирования системы

3.1 Алгоритм функционирования передающего устройства

3.2 Алгоритм функционирования приемного устройства

4. Разработка структурной схемы системы

4.1 Структурная схема передающего устройства

4.2 Структурная схема приемного устройства

5. Проектирование принципиальной электрической схемы системы

5.1 Выбор элементной базы системы

5.2 Принципиальная электрическая схема передающего устройства

5.3 Принципиальная электрическая схема приемного устройства

6. Расчетная часть

6.1 Расчет частотных и временных параметров

6.2 Выбор и расчет линии связи

7. Системные расчеты

7.1 Расчет помехоустойчивости

7.2 Спектр сигнала линии cвязи

7.3 Пропускная способность канала

7.4 Расчет надежности

8. Разработка программного обеспечения

8.1 Программное обеспечение передающего устройства

8.2 Программное обеспечение приемного устройства

Литература

ВВЕДЕНИЕ

Телемеханика -- область науки и техники, предметом которой является разработка методов и технических средств передачи и приёма информации (сигналов) с целью управления и контроля на расстоянии.

Специфическими особенностями телемеханики являются:

- удалённость объектов контроля и управления;

- необходимость высокой точности передачи измеряемых величин;

- недопустимость большого запаздывания сигналов;

- высокая надёжность передачи команд управления;

- высокая степень автоматизации процессов сбора информации.

В курсовом проекте осуществлена реализация системы сбора телемеханической информации сокоочистки на сахарном заводе.

Курсовой проект состоит из восьми разделов. В первом разделе описывается область применения и описывается технологический процесс. Во втором разделе проекта осуществляется выбор структуры проектируемой системы, канала связи и структуры сигналов. Третий посвящен разработке общего алгоритма функционирования системы. В четвертом разделе на основании этого алгоритма разрабатывается структурная схема системы. В пятом разделе выбирается элементарная база, и проектируются электрические схемы. В шестом выполняются расчеты временных и частотных параметров, а также линии связи. В седьмом - системные расчеты. В восьмом выполняется разработка программного обеспечения.



1. Область применения системы и описание технологического процесса

Для станции сокоочистки очень важен технологический режим, от которого зависит доброкачественность сиропа при уваривании диффузионного сока. При повышении доброкачественности очищенного сока на одну единицу можно получить дополнительно 0,2 - 0,25% сахара от массы свеклы, которая идет на переработку. Таким образом, поддержание технологических параметров в допустимых режимах имеет решающее значение в процессе устранения несахаров и, как результат, повышении эффективности сахарного производства в целом.Для получения высокого эффекта очистки диффузионного сока необходимо выделить несахара из сока, максимально использовать адсорбционное свойство частиц карбоната кальция, быстро отделять созданный осадок. Типовая технологическая схема процесса очистки, включает в себя такие стадии, как преддефекацию, основную холодно-горячую дефекацию, сатурацию с последующей фильтрацией сока, дефекацию перед II сатурацией, II сатурацию с фильтрацией и сульфитацию.

Схема приведена на рисунке 1.1

Рисунок 1.1 - Схема станции сокоочистки

При создании системы автоматизации были использованы датчики, исполнительные механизмы и преобразователи, которые представляют собою серийные компоненты и имеют унифицированные сигналы. При их выборе необходимо было учитывать повышенную влажность окружающей среды, а также вязкость, агрессивность и загрязненность измеряемой среды (диффузионный сок, гашенная известь - Ca(OH)₂, газы SO₂ и CO₂). Для измерения технологических параметров были использованы:

· термометры сопротивления ТСП100 (ТЕРА, Украина),

· датчики давления Kobold (Германия),

· расходомеры Endress+Hauser и Siemens (Германия),

· рН метры и газоанализаторы.



2. Структура системы

2.1 Выбор структуры системы

В соответствии с техническим заданием, спроектируем следующую структурную схему системы телеизмерения. Структура данной системы будет приведена на рисунке 2.1. Данная система будет состоять из пункта управления и 3 контролируемых пунктов. На пункте управления будет осуществляется опрос и прием телеизмерений от КП, полученные измерения фиксируются принтером. Передача данных будет осуществляться с помощью модема. Устройства КП опрашивают датчики измерений и формируют посылки согласно заданному алгоритму.

Рисунок 2.1 - Структурная схема системы телеизмерений

2.2 Выбор линии связи

Системы телемеханики разделяются по характеру расположения объектов в пространстве на системы для сосредоточенных и рассредоточенных объектов. Объекты могут быть рассредоточены вдоль общей линии связи, по площади или в пространстве. Для сосредоточенных объектов характерно то, что сам оператор и объекты управления расположены в двух раздельных пунктах: пункте управления (ПУ) и контролируемом пункте (КП) и соединены в единую систему управления с помощью аппаратуры телемеханики и канала связи.

Для системы с рассредоточенными объектами управления подключается, по меньшей мере, несколько КП. Все данные системы сводят к четырем основным видам: однолучевая (линейная), радиальная, радиально-узловая, древовидная.

КП расположены друг за другом, поэтому используем однолучевую линию связи. Характерной особенностью однолучевой системы является то, что контролируемые пункты расположены последовательно друг за другом, образуя однонаправленную цепочку, что упрощает процедуру опроса контролируемых пунктов. Структура однолучевой линии связи приведена на рисунке 2.2.

Рисунок 2.2 - Однолучевая структура линии связи

2.3 Выбор структуры сигналов

Согласно техническому заданию система работает по алгоритму циклический опрос в пределах КП. Тогда со стороны ПУ на КП в системе имеется один вид посылок, его структура изображена на рисунке 1.3.

Рисунок 2.3 - Структура сигнала посылаемого с ПУ на КП

В его состав входят: СК - синхрокод, состоит из восьми единиц: АКП - адрес опрашиваемого контролируемого пункта.

При получении запроса устройство КП поочередно опрашивает все датчики, и полученные значения, в одной посылке передает на ПУ. Структура сигнала изображена на рисунке 2.4.

Рис. 2.4 - Структура сигнала посылаемого с КП на ПУ

В состав сигнала входят: КВ - квитанция совпадает с адресом КП; ДД1 - ДД21 - данные от датчиков; КС1-КС21 - контрольные символы.



3. Алгоритм функционирования системы

3.1 Алгоритм функционирования контролируемого пункта

Согласно техническому заданию система должна работать по алгоритму циклический опрос в пределах КП. В соответствии с этим алгоритм функционирования контролируемого пункта имеет вид, приведенный на листе 1 графического материала. Руководствуясь приведенным алгоритмом, порядок работы КП представлен ниже.

При отсутствии сигналов с линии связи устройство КП находится в режиме ожидания запроса с ПУ. Признаком начала запроса является наличие синхрокода из линии связи. Если синхрокод получен, принимается адрес опрашиваемого КП, который декодируется из кода с двукратным повторением элементов кодовой комбинации. Если ошибка не обнаружена, анализируется адресе опрашиваемого КП. Если адрес совпадает с адресом текущего КП, то начинается опрос датчиков.

В начале цикла опроса передаётся квитанция, состоящая из адреса КП. После чего устанавливается первый адрес датчика. Далее в соответствии с адресом измерительный канал подключается к АЦП. После чего осуществляется преобразование в двоичный код. Полученное измерение кодируется кодом с двукратным повторением элементов кодовой комбинации. Код измерение и контрольные символы передаются на ПУ.

После отправки данных на ПУ анализируется текущий адрес датчика. Если адрес не равен 21, то адрес увеличивается на 1, и устройство переходит к коммутации следующего канала.

Если опрошены все датчики, то устройство возвращается к ожиданию синхрокода.

Кодирование кодом с двукратным повторением элементов кодовой комбинации осуществляется следующим образом. Каждый байт информационной комбинации при отправке дублируется. При декодировании байты в каждой паре сравниваются между собой. Если в каждой паре байты одинаковы, значит информация принята без искажения.

После декодирования контрольный символы отбрасываются, оставшиеся символы обрабатываются дальше. Если в каком либо паре байт, принятой комбинации, байты различаются, то вся принятая комбинация бракуется.

3.2 Алгоритм функционирования пункта управления

Алгоритм функционирования пункта управления имеет вид, приведенный на листе 2 графического материала.

Устройство ПУ поочередно опрашивает все КП. Для чего сначала устанавливается первый адрес КП и обнуляется счетчик переспросов. Далее на КП передаётся синхрокод. Адрес опрашиваемого КП кодируется кодом с двукратным повторением элементов кодовой комбинации, и вместе с контрольными символами передаётся в линию связи. После отправки запроса ПУ принимает квитанцию с КП. Квитанция проверяется. Если квитанция верна, на устройстве ПУ происходит дальнейшая обработка информации с датчиков. Если квитанция не верна, увеличивается счетчик переспросов. Если счетчик переспросов превышает значение 3, то формируется сигнал ошибки линии связи, которая передаётся на цифровой прибор.

После получения квитанции устанавливается первый адрес датчика, после чего принимается кодовая комбинация для датчика вместе с контрольными символами. Комбинация декодируется из кода с двукратным повторением элементов кодовой комбинации. Если ошибка обнаружена устройство переходит к обработке следующего датчика. Если ошибка не обнаружена выполняется масштабирование и двоично-десятичная коррекция. При масштабировании величина с АЦП умножается или делится на заданный коэффициент, в результате получается абсолютная физическая величина измеренеия. Для каждого двоично-десятичного символа определяется его код для отображения на дисплее. Согласно таблице символов контроллера дисплея hd44780 десятичные цифры имеют коды 30h-39h, то есть в старшая тетрада всегда содержит значение 3, а младшая двоично-десятичный код цифры. Поэтому для получения кодов, каждый двоично-десятичный символ записываем в отдельный байт и к нему прибавляем число 30h. Для каждого измерения на дисплее отводим 5 символов. Для определения начальной области ОЗУ контроллера дисплея в которую необходимо записать коды символов, высчитываем смещение от нулевого адреса по формуле: номер текущего датчика минус 1 и умноженного на 5. Для каждого КП используется свой индикатор, перед записью в ОЗУ кодов, на основании адреса текущего КП выдается разрешение на обмен дисплея с микроконтроллером. После чего коды записываются в полученную область памяти и измерение отображается на дисплее. Далее проверяется номер датчика. Если адрес не равен 21, переход к приему кода измерения от следующего датчика.

Когда приняты все измерения, устройство ПУ переходит к опросу следующего КП. Если все КП опрошены, возврат к первому КП.



4. Разработка структурной схемы системы

4.1 Структурная схема контролируемого пункта

В соответствии с разработанным алгоритмом контролируемого пункта, разработаем его структурную схему. Данная схема представлена на листе 3 графического материала.

Запрос с ПУ поступает из линии связи через линейное устройство на модем. Линейное устройство служит для согласования уровней сигналов модема и линии связи. Кроме того устройство служит гальванической развязкой.

Сигнал из линии связи демодулируется модемом, и поступает на преобразователь из параллельного кода в последовательный. Информация с преобразователя поступает на устройство приема синхрокода. Устройство приема анализирует данные из линии связи на предмет наличия синхрокода. Если обнаружается синхрокод, открывается ключ, который пропускает данные следующие за синхрокодом и поступают на устройство декодирования из кода с двукратным повторением элементов кодовой комбинации. Данное устройство декодирует принятый запрос из кода с двукратным повторением элементов кодовой комбинации. Если ошибка не обнаружена, принятый адрес КП, поступает на устройство сравнения. Устройство сравнения сравнивает адрес опрашиваемого КП и адрес из регистра хранения адреса КП. Если адреса совпадают, то есть опрашивается данное КП, то подается сигнал на счетчик датчиков и на модуль формирования квитанции. Квитанция с модуля формирования квитанции, передающим модулем, устройством преобразования из параллельного кода и модемом передаётся в линию связи.

При подаче запускающего сигнала на счетчик датчиков, счетчик поочередно выдает адреса с 1 до 21 на коммутатор. После выдачи адреса к АЦП коммутируется требуемый канал, при этом со счетчика датчиков поступает сигнал запускающий АЦП. После завершения преобразования АЦП выдает сигнал на увеличения адреса счетчиком датчиков. И одновременно разрешается работа модуля считывания кода измерения. Модуль считывает результат преобразования в двоичном коде и передаёт на устройство кодирования в код с двукратным повторением элементов кодовой комбинации. Откуда закодированное измерение поступает на передающее устройство.

Передающее устройство передаёт данные через преобразователь из параллельного кода в последовательный на модем. Модем выполняет модуляцию в соответствии с поступающими данными и передаёт через линейное устройство в линию связи. Линейное устройство служит для согласования сигналов с выходов модема и линии связи.

4.2 Структурная схема пункта управления

В соответствии с разработанным алгоритмом пункта управления, разработаем его структурную схему. Данная схема представлена на листе 4 графического материала.

Устройство управления управляет формированием запросов на КП. Сначала выдается сигнал на блок формирования синхрокода. Синхрокод преобразователем из параллельного кода в последовательный и модемом через линейное устройство передается в линию связи. После отправки синхрокода устройство управления выдает адрес опрашиваемого КП на устройство кодирования в код с двукратным повторением элементов кодовой комбинации. Данное устройство добавляет к адресу КП контрольные символы и передаёт закодированную кодовую комбинацию на преобразователь из параллельного кода в последовательный. В виде последовательности импульсов данные поступают на модем, где и передаёт через линейное устройство в линию связи.

С линии связи через линейное устройство данные поступают на модем. Модемом демодулируются и в последовательном виде поступают на преобразователь из последовательного кода в параллельный. В параллельном виде данные поступают на блок приема квитанции. Если квитанция получена блок управления разрешает работу устройства кода с двукратным повторением элементов кодовой комбинации. Устройство декодирует каждое измерение из линии связи. Декодированное измерение поступает на масштабирующее устройство. Где выполняется масштабирование и отправляется на двоично-десятичный дешифратор. В двоично-деястичном коде измерение поступает на блок вывода на дисплей. Так же на данный бок поступает адрес КП и адрес датчика для определения блоком вывода на дисплей места вывода измерения на дисплее.

Блок вывода записывает отображаемые коды в память контроллера дисплея hd44780.

Для подсчета адреса датчика используется счетчик каналов. Когда устройство получены измерения от всех датчиков, подается сигнал на устройство управления на опрос следующего КП.



5. Принципиальная электрическая схема системы

5.1 Выбор элементной базы системы

Данная система телеизмерения организована на микропроцессорной логике, поскольку в настоящее время оптимальным является использование микроконтроллеров (устройств, включающих в себя арифметико-логическое устройство, ОЗУ, ПЗУ, порты для работы с внешними устройствами и др.)

Кроме того микропроцессорная логика обладает определенными преимуществами. Габариты схемы существенно уменьшаются. Следовательно, основная работа возлагается на написание программы, предназначенной для обработки принимаемой информации, кодирования, хранения и работы с линией связи. Из-за уменьшения количества элементов, входящих в систему, увеличивается ее надежность. Кроме того, в дальнейшем без существенных затрат можно изменить алгоритм работы системы на более функциональный.

При выборе контроллера учитывается следующие факторы. Возможность работы с внешним ОЗУ, что позволяет упростить работу с модемом, и микросхемами АЦП. Большое число параллельных портов ввода вывода, что позволит на каждый порт назначить отдельную функцию по управлению периферийными микросхемами и несколько упростить программирование. Большой объем команд. Желательно что бы семейство контроллеров было ранее изучено. Имелась хорошая поддержка в виде документации, и удобного и доступного программного обеспечения для работы с микроконтроллером. Всем заданным параметрам соответствует 8-разрядный высокопроизводительный AVR микроконтроллер с малым потреблением ATmega64. Характеристики микроконтроллера:

RISC архитектура:

- 130 высокопроизводительных команд, большинство команд выполняется за один тактовый цикл

- 32 8-разрядных рабочих регистра общего назначения

- Полностью статическая работа

- Производительность приближается к 16 MIPS (при тактовой частоте 16 МГц)

- Встроенный 2-цикловый перемножитель

Энергонезависимая память программ и данных:

- 64 Кбайт внутрисистемно программируемой Flash памяти (In-System Self-Programmable Flash)

- Обеспечивает 1000 циклов стирания/записи

- Дополнительный сектор загрузочных кодов с независимыми битами блокировки

Внутрисистемное программирование встроенной программой загрузки:

- Обеспечен режим одновременного чтения/записи (Read-While-Write)

- 2Кбайта EEPROM

- Обеспечивает 100000 циклов стирания/записи

- 4 Кбайт встроенной SRAM

- До 64 Кбайтов пространства дополнительной внешней памяти

- Программируемая блокировка, обеспечивающая защиту программных средств пользователя

- SPI интерфейс для внутрисистемного программированияпользователя

Интерфейс JTAG (совместимый с IEEE 1149.1)

- Возможность сканирования периферии, соответствующая стандарту JTAG

- Расширенная поддержка встроенной отладки

- Программирование через JTAG интерфейс: Flash, EEPROM памяти, перемычек и битов блокировки

Встроенная периферия

- Два 8-разрядных таймера/счетчика с отдельным предварительным делителем, один с режимом сравнения

- Два 16-разрядных таймера/счетчика, с расширенными возможностями, с отдельным предварительным делителем и режимами захвата и сравнения

- Счетчик реального времени с отдельным генератором

- Два 8-разрядных канала PWM

- Шесть каналов PWM с возможностью программирования разрешения от 1 до 16 разрядов

- 8-канальный 10-разрядный аналого-цифровой преобразователь

- 8 несимметричных каналов

- 7 дифференциальных каналов

- 2 дифференциальных канала с программируемым усилением в 1, 10 или 200 крат

- Байт-ориентированный 2-проводный последовательный интерфейс

- Сдвоенный программируемый последовательный USART

- Последовательный интерфейс SPI (ведущий/ведомый)

- Интерфейс I2C

- Программируемый сторожевой таймер с отдельным встроенным генератором

- Встроенный аналоговый компаратор

Специальные микроконтроллерные функции

- Сброс по подаче питания и программируемый детектор кратковременного снижения напряжения питания

- Встроенный калиброванный RC-генератор

- Внутренние и внешние источники прерываний

- Шесть режимов пониженного потребления: Idle, Power-save, Power-down, Standby, Extended Standby и снижения шумов ADC

- Программная установка тактовой частоты

- Режим обеспечения совместимости с ATmega103 (перемычки)

- Глобальный запрет подтягивающих резисторов

Выводы I/O и корпуса

- 53 программируемые линии ввода/вывода

- 64-выводной корпус TQFP

Рабочие напряжения

- 4,5-5,5 В

Рабочая частота

- 0-16 МГц

В качестве АЦП используется микросхема MAX1290-8-канальный 12-разрядный АЦП с частотой преобразования 400кГц и параллельным интерфейсом. ифровой преобразователь последовательного приближения с низким потреблением энергии и высокоскоростным параллельным интерфейсом.

Питание МАХ1290 осуществляется от одного источника напряжением +5В. АЦП имеет отдельный вывод цифрового питания, напряжение на котором может лежать в диапазоне +2.7...+5.5В, что упрощает сопряжение микросхемы по логическим уровням.

Два дежурных режима работы, которые выбираются программно, позволяют МАХ1290 переходить в режим пониженного энергопотребления в паузе между процессами преобразования.

МАХ1290 содержит аналоговые входы, которые могут быть программно сконфигурированы для работы в следующих режимах: униполярный/биполярный и несимметричный/псевдодифференциальный. В несимметричном режиме МАХ1290 имеет восемь входных каналов, в псевдодифференциальном -- четыре входных канала.

Прекрасные динамические характеристики и малая потребляемая мощность в сочетании с простотой использования и компактными размерами корпуса делают МАХ1290 идеальным для использования в системах с батарейным питанием и системах сбора данных, где наиболее критичными параметрами являются низкое потребление и компактность.

МАХ1290 поставляется в 28-выводном корпусе типа QSOP.

Выпускается также совместимый с МАХ1290 по выводам, но имеющий напряжение питания +3 В, АЦП МАХ1291.

Особенности данной микросхемы:

12-разрядное разрешение с нелинейностью…………..…..±0.5 М3Р

Один источник питания…………………………………………...+5В

Возможность регулирования логических уровней…...+2.7 …+5.5В

Внутренний источник опорного напряжения……………..…….2.5В

Программно-конфигурируемый аналоговый выходной мультиплексор: 8 несимметричных каналов или 4 псевдодифференциальных канала

Программно-конфигурируемые режимы аналоговых ходов: униполярный/биполярный

Низкий ток потребления: на частоте 400кГц…………………2.5мА

Встроенное устройство выборки и хранения с входной полосой 6МГц

Параллельный интерфейс с байтовой шириной слова (8+4)

Рисунок 5.1 - Структурная схема MAX1290



Таблица 5.1

Функции выводов микросхемы MAX1290

Обозначение	Назначение	Вывод
СН0...СН7	Аналоговые входы, каналы 0...7	22...15
CLK	Вход тактового сигнала. В режиме внешнего тактового сигнала на вход CLK подается ТТЛ/КМОП-совместимый сигнал от внешнего источника. В режиме внутреннего тактового сигнала вывод CLK соединяется с Vcc или GND	13
COM	Общий вывод для аналоговых входов. Устанавливает нулевой код в режиме несимметричного входа и должен поддерживаться во время преобразования с точностью ±0.5 МЗР	23
/CS	Вход выбора кристалла	14
D0/D8	Цифровой аход/аыход разряда 0 (HBEN = 0)t разряда 8 (HBEN = 1)	9
D1/D9	Цифровой вход/выход разряда 1 (HBEN = 0), разряда 9 (HBEN = 1)	8
D2/D10	Цифровой вход/выход разряда 2 (HBEN = 0), разряда 10 (HBEN =1)	7
D3/D11	Цифровой вход/выход разряда 3 (HBEN = 0), разряда 11 (HBEN =1)	6
D4	Цифровой вход/выход разряда 4	5
D5	Цифровой вход/выход разряда 5	4
D6	Цифровой вход/выход разряда 6	3
D7	Цифровой вход/выход разряда 7	2
GND	Аналоговая и цифровая земля	24
HBEN	Вход разрешения старшего байта. Вход HBEN используется для мультиплексирования результата 12-разрядного преобразования. HBEN = 1: на шину данных считываются 4 старших разряда; HBEN = 0: на шину данных считываются 8 младших разрядов	1
/INT	Выход готовности данных	10
/RD	Вход разрешения считывания на шину данных	11
REFADJ	Вход отключения внутреннего источника опорного напряжения. Когда используется внешний ИОН, следует соединить вход REFADJ с Vcc и отключить внутренний ИОН	25
Vcc	Напряжение питания +5 В, аналоговое	27
Vccd	Цифровое напряжение питания. VCCD используется для питания цифровых выходов и может лежать в диапазоне +2.7...(Vсс + 0.3) В	28
Vref	Вход/выход опорного напряжения. Когда используется внутренний ИОН, следует зашунтировать выход VREF дополнительно конденсатором емкостью 4.7 мкФ на GND	26
/WR	Вход разрешения записи. Сигнал WR завершает сбор данных и начинает процесс преобразования	12

В качестве модема используется микросхема FM336. Данная микросхема выполняет функцию модема с ФМ-2, функционирующего в полосе стандартного телефонного канала. Модем работает в дуплексном режиме. Напряжение источника питания равно +5В, потребляемый ток-5,5 мА.

В качестве дисплея выбираем модуль FDCC4004A. Модуль позволяет отображать 4 строки по 40 символов. Символы отображаются в матрице 5х8 точек. Между символами имеются интервалы шириной в одну отображаемую точку. Каждому отображаемому на ЖКИ символу соответствует его код в ячейке ОЗУ модуля. Модуль содержит два вида памяти -- кодов отображаемых символов и пользовательского знакогенератора, а также логику для управления ЖК панелью. Модуль управляется по параллельному 4-х или 8-ми битному интерфейсу. Модуль содержит контроллер HD44780 фирмы HITACHI. В нем ОЗУ размером 160 байт для хранения данных (DDRAM), выводимых на ЖКИ.

Таблица 5.2

Функции выводов FDCC4004A

Вывод	Назначение
GND	Общий вывод (0В)
UCC	Напряжение питания (5В/3B)
Uo	Управление контрастностью
A0	Адресный сигнал -- выбор между передачей данных и команд управления
R/W	Выбор режима записи или чтения
E	Разрешение обращений к модулю (а также строб данных)
Вывод	Назначение
DB0	Шина данных (8-ми битный режим) (младший бит в 8-ми битном режиме)
DB1	Шина данных (8-ми битный режим)
DB2	Шина данных (8-ми битный режим)
DB3	Шина данных (8-ми битный режим)
Вывод	Назначение
DB4	Шина данных (8-ми и 4-х битные режимы) (младший бит в 4-х битном режиме)
DB5	Шина данных (8-ми и 4-х битные режимы)
DB6	Шина данных (8-ми и 4-х битные режимы)
+LED	+ питания подсветки
-LED	- питания подсветки



5.2 Принципиальная электрическая схема контролируемого пункта

Рассмотри работу электрической функциональной схемы КП изображенной на листе 5 графического материала.

Основа устройства КП - микроконтроллер DD1. Подключение микросхемы осуществляется по типовой схеме. Кварцевый резонатор ZQ1 и согласующие конденсаторы С1, С2 задают частоту внутреннему тактовому генератору микроконтроллера.

Периферийные микросхемы такие как модем DA4 и АЦП DA1-DA3 включаются в адресное пространство микроконтроллера внешней памяти данных. Что позволяет обмениваться данными и управлять микросхемы путям записи и чтения байтов по определенным адресам. Адресация микросхем приведена в таблице 5.3

Таблица 5.3

Распределение адресного пространства внешнего ОЗУ микроконтроллера

Адресные выходы	Адрес ОЗУ	Устройство
А0	А1	А2	А3	А4	А5
0	0	0	0	00	0	00-31	Модем
0	…	…	…..	….	….
0	1	1	1	1	1
0	0	0	X	X	0	32	Младший биты 8-11 измерения при чтении, и адрес канала при записи
1	0	0	X	X	1	33	Биты 0-3 измерения.
0	1	0	X	X	0	34	Младший биты 8-11 измерения при чтении, и адрес канала при записи
1	1	0	X	X	1	35	Биты 0-3 измерения.
0	0	1	X	X	0	36	Младший биты 8-11 измерения при чтении, и адрес канала при записи
1	0	1	X	X	1	37	Биты 0-3 измерения.

Выбор микросхемы АЦП осуществляется в результате декодирования адреса на линиях А1-А2 дешифратором DD3.

В микроконтроллере совмещенная шина адреса и данных, то есть сначала выдается адрес, после чего читается или выдается байт данных. Для фиксирования младшего байта адреса используется регистр DD2, в который записывается адрес по стробу ALE. Адресная линия А5 с регистра DD2 используется как разрешающая работу периферийных микросхем. Для чего на вход CS модема DA4 заводится напрямую и дешифратор DD3.

Так как сигнал на выходе датчика имеет диапазон 0..10мА, а АЦП использующий внутренний опорный источник напряжения 1,25 измеряет сигнал в диапазоне 0…1,25, то для выделения напряжения из тока используется резисторы R1-R21.Трансформаторы Т1, Т2 служат для согласования сигналов из линии связи и модема.

По приходу сигнала из линии связи модем демодулирвует его, и если принят байт формирует прерывание, выдавая на выход IRQ низкий уровень. Получив сигнал о наличии байта из линии связи модем считывает его с помощью обращения к внешней памяти по адресу 00. Получив байт контроллер анализирует его на предмет синхрокода. И, если получен синхрокод, начинает опрос датчиков. Для чего сначала по адресу 32 записывает значение 0 (адрес первого канала). После записи адреса начинается преобразование, при этом выход INT переходит в высокий уровень.

Контроллером анализируется состояние выхода INT первой микросхемы АЦП DA1, когда данный выход меняет состояние с уровня единицы на уровень ноль, что сигнализирует о завершении преобразования АЦП контроллер считывает по адресу 32 младший байт преобразования, по адресу 33 считывается старший байт преобразования. Полученная комбинация обрабатывается, и передается через модем в линию связи. Для по адресу 01 записывается передаваемый байт. При этом выход IRQ модема переходит в высокий уровень, и принимает низкий уровень по окончании передачи. После отправки данных контроллер опрашивает следующий адрес. Для чего по адресу 32 записывается значение 1 (следующий измерительный канал) и ожидается окончание преобразования в двоичный код, аналогично первому каналу. После опроса 8-ми каналов первого АЦП, для опроса 9-го канала будет записано значение 0 по адресу 34 (см. таблицу 7.1). После опроса и передачи значений со всех датчиков, устройство КП переходит к ожиданию очередного запроса.

5.3 Принципиальная электрическая схема пункта управления

Рассмотри работу электрической принципиальной схемы ПУ изображенной на листе 6. Главным элементом КП является микроконтроллер DD1. К выводам XTAL1 и XTAL2 подключен кварцевый резонатор, определяющий тактовую частоту микропроцессора 4 МГц.

Для индикации получаемых измерений используются ЖК дисплеи 4строки по 40 символов. Каждая строка разбивается на группы по 6 символов. В каждой группе помещается краткое название сигнала и его текущая величина. Для каждого КП используется отдельный ЖК индикатор. Обмен данными с ЖК модулями микроконтроллер осуществляет по порту РА. Выходы РB0-РB6 управляющие. По линии А0 указывается тип данных: управляющее слово или данные. Сигнал R/W указывает операцию чтение или запись. Е-разрешение обращения к модулю, определяет какой из микросхеме передаются данные. Для отображения символа в нужной ячейке необходимо записать код символа в соответствующую ячейку ОЗУ дисплея.

Временная диаграмма работы записи в ЖК модуль приведена на рисунке 7.1. При этом выполняется следующая последовательность действий:

1. Установить значение линии RS

2. Вывести значение байта данных на линии шины DB0...DB7

3. Установить линию Е = 1

4. Установить линию E= 0

5. Установить линии шины DB0...DB7 = HI

Рисунок 5.1 Временная диаграмма операции записи HD44780

Подключения модема аналогично устройству КП.

Для передачи запроса байты запроса поочередно записваются во внутренний регистр модема с адресом 0. Для контроллера команда запись во внешнее ОЗУ с адресом 0. После записи очередного байта, модем автоматически начинает передачу. При этом сигнал IRQ принимает высокий уровень. Когда байт передан IRQ, переходит в состояние логического нуля. Ноль на этой линии считывает контроллер, и записывает следующий байт для передачи. Далее контроллер сбрасывает прерывание в модеме и переходит к ожиданию ответа с ПУ. По приходу очередного байта, модем снова переводит IRQ из 1 в 0.

Данный переход улавливается контроллером, и по адресу 1 считывает полученный бит. Обработку данных выполняет контроллер согласно указанному ранее алгоритму. В зависимости от номера датчика и КП контроллер организует передачу на один из контроллеров дисплея DD2-DD4. Сначала на линии (DB0-DB7) данных выдается команда записи указателя адреса. Так выдается выдаётся команда, на вход RS подается 1. R/W в 0.

После чего на модуль к которому идет обращение на вход E подается 1. Через определённый промежуток времени на вход Е устанавливается 0. Далее на линии данных (DB0-DB7) выдается код символа. При этом RS устанавливается в 0. После чего на Е сначала выдается 1, потом 0. При этом указатель адреса в контроллере дисплея автоматически увеличивается. Запись следующего кода аналогична первому.

алгоритм частотный телемеханический информация



6. Расчетная часть

6.1 Расчет частотных и временных параметров

Поскольку в проектируемой системе три КП, то число разрядов, необходимых для передачи адреса КП определяется по формуле 6.1.

kакп = Еlog₂ (3) = 2 (6.1)

Количество бит необходимое для представления измеряемой величины в двоичном коде определяется согласно 6.2

(6.2)

где - погрешность преобразования в цифровой эквивалент;

E - знак округления в большую сторону

Для защиты информации от помех используется код с двукратным повторением элементов кодовой комбинации, число контрольных символов:

(6.3)

Число символов, посылаемых с КП на ПУ:

бит (6.4)

где Nd = 21 - количество датчиков на КП.

Число символов, посылаемых с ПУ на КП:



бит (6.5)

В соответствии с теоремой Котельникова, время, за которое необходимо опросить каждый датчик определяется по формуле 6.6

, (6.6)

где Fmax максимальная частота измерения телеметрируемого параметра.

Примем

Поскольку данное время затрачивается на передачу данных от всех датчиков и передачу синхрокода то длительность элементарного бита, определим по формуле 4.2.

, (6.7)

где =3, число КП согласно ТЗ;

Соответственно частота передачи последовательного интерфейса вычисляется по формуле 6.8.

(6.8)

Принимаем скорость передачи в Fп=76800 бод. Соответственно несущая для данной частоты модулирующего сообщения будет иметь частоту в 10 раз большую, т.е.



768 КГц. (6.9)

6.2 Выбор и расчет линии связи

Каналом связи называется совокупность технических средств и тракта (среды, кабеля, проводной линии) для передачи сообщений на расстоянии. Передача по заданному каналу связи осуществляется независимо от других каналов. Каналы связи организуются в линии связи.

По назначению каналы связи бывают: телефонные, телеграфные, фототелеграфные, телевизионные и др.

По характеру эксплуатации: выделенные и коммутируемые.

Проводные линии связи подразделяют на воздушные и кабельные.

В данном проекте выбрана проводная линия связи. Телефонный кабель марки ТГ. Его параметры представлены в таблице 6.1. Расчет произведем для длины кабеля равной 1км - достаточной для размещения системы в крупном производственном здании или даже между соседними цехами, расположенными в разных зданиях на территории завода.

Таблица 6.1

Параметры телефонного кабеля ТГ

Диаметр провода	Сопр. двухпроводной цепи	Инд. двухпроводной цепи	Емкость между проводами	Волн. сопротивл. на f>2кГц	Сопр. изоляции
0,5 мм	190 Ом/км	0,55 мГн/км	0,04 мкФ/км	117 Ом	2 МОм

Коэффициент затухания:

(6.1)

где R - сопротивление двухпроводной цепи;

щ - частота сигнала;

L - индуктивность двухпроводной цепи;

С - емкость между проводами;

G - проводимость;

Тогда коэффициент затухания в ЛС б=0,275 Нп.

Следовательно, напряжение на передатчике:



7. СИСТЕМНЫЕ РАСЧЕТЫ

7.1 Расчет помехоустойчивости

Для передачи сигналов используется ФМ-2 модуляция. Рассчитаем величину, характеризующую потенциальную помехоустойчивость.

(7.1)

где Uc, в напряжение на входе приемника, - длительность импульса при передаче, Ро - спектральная плотность шума Вт/Гц. Значение Ро задано в техническом задании и равно Вт/Гц. Значение Uc выбираем из стандартного ряда U_c = 40В.

Длительность импульса была рассчитана в пункте 4.

Вероятность искажения элементарного сигнала будет

(7.2)

В системе используется код с двукратным повторением элементов кодовой комбинации. Длина кодовой комбинации согласно расчетам раздела 1 n = 16. Данный код не обнаруживает ошибок, возникающих в сравниваемых при приеме разрядах двух частей кода. Вероятность ошибочного приема:

(7.3)



Вероятность правильного приема:

(7.4)

Вероятность обнаруженной ошибки:

(7.5)

Помехоустойчивость удовлетворяет требованиям ТЗ (где требуемая вероятность необнаруженной ошибки равна ).

7.2 Спектр сигнала линии связи

Для передачи сигналов, согласно техническому заданию используется ФМ-2 модуляция. Расчет будем вести для ФМП с шагом изменения частоты = 180^O и скважностью Q=2. Согласно разделу 5 пояснительной записки напряжение на выходе должно быть 63В. Выражение для спектра ФМ2-сигнала имеет вид

(7.6)

Амплитуда несущей рассчитывается по выражению

(7.7)

Амплитуда боковых составляющих определяется

(7.8)

Рассчитаем для частоты F₁ = 768кГц. Скважность Q=2, f=76800Гц. Расчеты сведем в таблицу 7.1.

Таблица 7.1

Составляющая	Частота, кГц	Амплитуда
F1	768000	0
F1 f	1768000 76800	32
F1 2f	768000 153000	0
F1 3f	768000 230400	11
F1 4f	768000 307200	0

Спектр модулированного сигнала изображен на рисунке 7.1.

Рисунок 7.1 - Спектр модулированного сигнала

Определим практическую полосу пропускания частот

(7.9)

7.3 Пропускная способность канала

Пропускная способность для симметричного дискретного канала телеизмерения рассчитывается по формуле 7.10



(7.10)

Где техническая скорость передачи информации.

Следовательно, пропускная способность равна:

С = 76800*0,99 = 76032 дв.ед./с

7.4 Расчет надежности

Надежность - свойство изделия выполнять определенные задачи в определенных условиях эксплуатации, т.е. надежность есть внутреннее свойство изделия, включающее в свою очередь такие свойства, как безотказность, долговечность, ремонтопригодность и сохраняемость

В основе понятия надежности лежит понятие отказа. Отказом называется событие, заключающееся в нарушении работоспособности объекта. В практических расчетах вероятностью безотказной работы определяют по формуле:

, (7.11)

где t - заданное время работы изделия.

- интенсивность отказов системы

Произведем расчет количественных показателей надежности спроектированной системы. Данные для расчета занесем в таблицу 7.2

Таблица 7.2

Тип элемента	л, 1/час	Кол-во, шт	лi, 1/час
Цифровые интегральные микросхемы	2,50E-07	20	1,60E-06
Конденсаторы керамические	8,00E-08	35	8,75E-06
Резисторы постоянные компазиционные	5,00E-08	40	3,20E-06
Разъем штепсельный	3,00E-09	2	1,00E-07
Кварцевые резонаторы	5,00E-07	2	6,00E-09
Пайка ручная	5,00E-10	300	1,50E-06
		лсх=	1,54E-05

Наработка до отказа

(7.12)

Вероятность безотказной работы при времени работы системы, равном 10000ч., будет:

(7.13)

Следовательно, вероятность отказа составит

Q=1-P=1-0,91=0,09 (7.14)



8. Разработка программного обеспечения

8.1 Программное обеспечение КП

Waitsinhr: call fGetByte; ожидадние байта из ЛС

Mov tmp, r1;

Cpш tmp,SK;сравнение с синхрокодом

Brne waitsnhr;

Call fGetByte; получение адреса опрашиваемого КП

Mov tmp, r1;

Cpi tmp,nkp; сравнение с текущим

Brne Waitsinhr;

Ldi Ad,0; первый адрес датчика

MIzm:call GetIzm; получение измерения

Call SendByte; отправка измерения

Call cod кодирование

Call SendByte; отправка контрольных символов

Inc AD; следующий адрес

Cpi AD,ND; сравнение с максимальным адресом датчика

Brne Mizm; переход к получению измерения

Rjmp waitsinhr;к ожиданию синхрокода

8.2 Программное обеспечение ПУ

.def tmp=r16;

.def akp=r17;

.def AD=r18;

.def perespr=r19;

.equ NKP=3;

.equ ND=21;

.equ SK=$ff;

START: ldi AKP,1;первый адрес кп

Zapr: mov r1,Sk;

Call sendByte; отправка синхрокода

Mov r1,akp;

Call sendByte;отправка адреса кп

Call GetByte; получение квитанции

Cp r1,akp;проверка квитанции

Brne ERR;

Ldi ad,0; первый адрес датчика

Call GetByte; получение измерения

Mov r2,r1;

Call GetByte;получение контрольных символов

Call decod;декодирование

Tst r1;проверка результата декодирование

Brne nextadr; если ошибка к следующему датчику

Mov r1,r2;

Call outi; отображение ти

NextAD:inc AD; следующий адрес

Cpi AD,ND;проверка на последний

brne Izm;

NextKP:inc AKP;следующее кп

Cpi AKP,NKP+1;проверка на последнее

Brne zapr;

Rjmp start;

Err: inc perespr;увеличение счетчика преспросов

Cpi peresp,3;сравнение с 3

brne zapr; переход на повторный запрос

Call outerr; вывод ишибки

Rjmp NEXTKP;если счетчик равен 3, следующее КП

Заключение

В процессе проектирования была разработана цифровая телеметрическая система работающая по алгоритму циклический опрос по вызову в пределах КП.

Система обладает такими ценными свойствами как, хорошее качество, большая скорость приема-передачи сообщений, высокая степень автоматизации (в особенности процессов обработки), надежность, гибкость. В соответствии с заданием был разработан алгоритм функционирования системы, на его основании построена функциональная схема.

Ядром системы являются однокристальный микроконтроллер, что позволяет в одном устройстве объединить несколько блоков, выполняющих различные логические функции и значительно сократить количества используемых микросхем.

Была разработана функциональная электрическая схема системы.

Рассчитана помехоустойчивость, пропускная способность канала, надежность. По данному показателю система удовлетворяет заданному критерию достоверности и показывает эффективность используемого кода.

Разработано программное обеспечение для ПУ и КП и проверена его работоспособность. Следует также отметить, что применение программной реализации большей части алгоритмов делает систему ее еще более гибкой к последующим усовершенствованиям и совершенной.



ЛИТЕРАТУРА

1. Сорока Н.И., Кривинченко Г.А. Телемеханика: конспект лекций. Ч.1: Сообщения и сигналы. Мн.: БГУИР, 2000. - 126 с.

2. Сорока Н.И., Кривинченко Г.А. Телемеханика: конспект лекций. Ч.2: Коды и кодирование. Мн.: БГУИР, 2001. - 168 с.

3. Сорока Н.И., Кривинченко Г.А. Телемеханика: конспект лекций. Ч.3: Линии связи и помехоустойчивость информации. Мн.: БГУИР, 2004. - 130 с.

4. Сорока Н.И., Кривинченко Г.А. Телемеханика: конспект лекций. Ч.4: Системы телемеханики. Мн.: БГУИР, 2005. - 154 с.

5. Сорока Н.И., Кривинченко Г.А. Телемеханика: конспект лекций. Ч.5: Технологии передачи дискретной информации. Электронный вариант.

6. Богданович М.Ню и др. Цифровые интегральные микросхемы: Справочник. Мн.: Беларусь, 1991.492 с.

7. Конспект лекций по курсу Микропроцессорные системы управления.

Размещено на Allbest.ru

...