Блок обработки для датчиков силы

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Блок обработки для датчиков силы

Малышев А.В., Славкин И.Е. ФГВОУ ВПО «Пензенский государственный университет»

датчик сила микроконтроллер блок

При подготовке ракеты-носителя (РН) к пуску необходимо непрерывно измерять нагрузку, передаваемую от РН на опоры электродомкратов опорных ферм (технологических ферм) стартового комплекса для обнаружения смещения центра тяжести и предотвращения возможных аварийных ситуаций в процессе заправки РН компонентами ракетного топлива. Опорные фермы обеспечивают закрепление РН в вертикальном положении до момента старта, а в момент старта отсоединяются (откидываются) от ракеты-носителя. Заправка РН компонентами ракетного топлива осуществляется посредством заправочных кабель-мачт.

Также с помощью кабель-мачт к бортовым разъемам ракеты-носителя присоединяют разъемы подачи электроэнергии, наземных систем автоматизированного контроля и управления стартом.

В настоящее время для контроля нагрузок, передаваемых от РН на опорные фермы, применяются информационно-измерительные системы (ИИС) для измерения нагрузок на основе тензорезистивных датчиков силы (ДС) в качестве первичных преобразователей.

В результате проведенного обзора литературы было выявлено два, наиболее близких по принципу действия и функциональным возможностям устройствам:

1) Силоизмерительное устройство Д-50М (СИУ Д-50М)

2) Силоизмерительное устройство Д-50Т (СИУ Д-50Т)

СИУ Д-50 М предназначен для измерение нагрузки на несущих стрелах стартового комплекса, путем измерения величин нагрузок, действующих на датчики силы, расположенные в опорах электродомкратов стартового комплекса. Особенностями СИУ Д-50М является:

- СИУ Д-50М производит одновременное измерение нагрузок, действующих на опоры четырёх электродомкратов, автоматически компенсирует тарную нагрузку, определяет опоры с минимальной и максимальной нагрузками, вычисляет разность между ними и, информацию о нагрузках, регистрирует на ПЭВМ.

- По условиям эксплуатации СИУ Д-50М относится к группе 1.1 исполнения УХЛ1, УХЛ4 ГОСТ В20.39.304 категории А ГОСТ 20.309.303. Технические характеристики СИУ Д-50М представлены в таблице 1.

Таблица 1 - Технические характеристики СИУ Д-50М

Комплект СИУ Д-50М состоит из следующих блоков: - аппаратура обработки и отображения информации;

- аппаратура обработки, отображения и регистрации информации;

- аппаратура электропитания;

- датчики силы;

- комплект кабелей;

- комплект запасных прилагаемых изделий (ЗИП);

- комплект персональной электронно-вычислительной машины (ПЭВМ);

Вторым аналогом разрабатываемого блока обработки для датчиков силы является СИУ Д-50Т.

СИУ Д50-Т предназначен для измерения нагрузки на несущих стрелах стартового комплекса, путем изменения величин нагрузок, действующих на датчики силы, расположенные в опорах электродомкратов стартового комплекса. Особенностями СИУ Д-50Т является:

- СИУ Д-50Т производит одновременное измерение нагрузок, действующих на опоры четырёх электродомкратов, автоматически компенсирует тарную нагрузку, определяет опоры с минимальной и максимальной нагрузками, вычисляет разность между ними.

- По условиям эксплуатации СИУ Д-50М относится к группе 1.1 исполнения УХЛ1, УХЛ4 ГОСТ РВ 20.39.304 для тропического морского климата.

Комплект СИУ Д-50М состоит из следующих блоков:

- аппаратура обработки отображение информации;

- аппаратура обработки, отображения и регистрации информации;

- аппаратура электропитания;

- блок искрозащиты;

- датчики силы;

- комплект кабелей;

- комплект запасных прилагаемых изделий (ЗИП);

- комплект персональной электронно-вычислительной машины (ПЭВМ);

Технические характеристики СИУ Д50-Т представлены в таблице 2.

Таблица 2 - Технические характеристики СИУ Д-50Т

Согласно предъявленным требованиям автором была разработана структурная схема последовательности подключения к блоку обработки датчиков силы (ДС) и последующее выведение информации на экран ПЭВМ.

Разработанная автором структурная схема приведена на рисунке 1.

Рисунок 1 - Структурная схема последовательности подключения элементов к блоку обработки.

В состав блока обработки входят:

1) Блок индикации аппаратуры обработки информации построенный с использованием светодиодных семисегментных четырехразрядных индикаторов типа SA5611SRWA;

2) Блок питания аппаратуры обработки информации, построенный на основе двухтактного полумостового импульсного преобразователя постоянного напряжения (ППН);

3) Блок цифровой обработки информации;

4) Блок внешнего интерфейса связи включающий в себя волоконнооптическую линию связи (ВОЛС) интерфейс типа RS-485, по средствам которых осуществляется подключение к блоку обработки датчиков силы (ДС1 - ДС4);

Для реализации функций управления системой блок обработки должен иметь на передней панели четыре кнопки: две кнопки «балансировка», соединенные последовательно для предотвращения случайного нажатия, кнопка «калибровка», кнопка «фиксация». Все кнопки подключены к линиям порта ввода-вывода микроконтроллера МК2.

Кнопка «Фиксация» необходима для приостановления обновления показаний на индикаторе. Кнопка «Калибровка» необходима для реализации процедуры контроля работоспособности датчиков силы ДС1 - ДС4, заключающуюся в подключении резистора между положительным выводом питания и одним из плеч тензорезистивного моста. Сопротивление калибровочного резистора подбирается таким образом, чтобы выходной сигнал датчика силы соответствовал уровню нагрузки 80% от номинального значения. Это дает возможность проконтролировать работоспособность каждого отдельного датчика, включая работоспособность первичных преобразователей и каналов связи, путем сравнения показаний индикаторов блока обработки с эталонным значением, соответствующему 80% от номинального значения нагрузки.

В начальный момент времени, после подачи питания на блок обработки, производится инициализация микроконтроллеров блока обработки, установление связи между ними и синхронизация, после чего осуществляется инициализация каналов связи и переход в штатный режим работы. Инициализация канала связи включает в себя следующие процедуры:

1. Определение подключения линий связи;

2. Определение типов датчиков, подключенных к блоку обработки, и их основных параметров;

3. Определение максимальной скорости приема/передачи каждого интерфейса;

4. Переход в штатный режим работы.

При работе системы в штатном режиме прием/передача данных осуществляется по волоконно-оптической линии связи по принципу запросответ, с периодическим дублированием по цифровому интерфейсу типа RS485. При отказе волоконно-оптической линии связи (частая потеря пакетов данных, отсутствие связи, некорректные данные и др.) осуществляется полный переход на проводной цифровой интерфейс связи с передачей кода ошибки на электронную вычислительную машину оператора.

Процедура инициализации канала связи с датчиком производится по алгоритму, приведенному на рисунке 1.

После выполнения приведенного алгоритма осуществляется проверка максимальной скорости по выбранному интерфейсу связи, которая заключается в поочередной отправке пакетов от блока обработки с запросом ответа на определенной скорости начиная с минимальной (4800бит/с).

Рисунок 1 - Блок-схема алгоритма процесса инициализации интерфейсов связи с датчиками

Контроль корректности принятых пакетов осуществляется на стороне блока обработки. При приеме некорректного пакета в качестве максимальной скорости выбирается предыдущее значение скорости приема/передачи. В случае отсутствия ошибок на всех скоростях приема/передачи выбирается максимальная скорость 36400 бит/с.

В случае отсутствия соединения как по волоконно-оптической линии связи, так и по интерфейсу типа RS-485, а также во время процедур инициализации и определения максимальной скорости работа осуществляется по аналоговым линиям связи с датчиками, при этом задействован встроенный АЦП микроконтроллера МК2 и блок аналоговой обработки.

Для учета аддитивной составляющей погрешности преобразования датчиков силы (погрешность нуля) перед началом штатной работы системы производится процедура обнуления показаний.

Для проведения указанной процедуры необходимо нажать одновременно на две кнопки «балансировка», расположенные на передней панели блока обработки. Блок-схема алгоритма работы системы при осуществлении процедуры балансировки приведена на рисунке 2.

При одновременном нажатии кнопок «балансировка» происходит запоминание значений, выдаваемых датчиками силы и сохранение их в энергонезависимой памяти микроконтроллеров. При последующем проведении замеров во время штатного режима работы происходит считывание ранее сохраненных в памяти значений и вычитание их из результатов измерений.

Для снижения уровня мультипликативной составляющей погрешности преобразования системы, вызванной различными значениями коэффициентов преобразования первичных преобразователей, а так же неидеальностью применяемых компонентов, в первую очередь - неидеальностью функции преобразования АЦП, в системе при работе в штатном режиме используются градуировочные коэффициенты, хранящиеся в энергонезависимой памяти микроконтроллеров. При этом возможны два способа занесения вышеуказанных коэффициентов в памяти МК.

Рисунок 2 - Блок-схема алгоритма процесса балансировки датчиков силы

Первый способ заключается в автоматическом расчете коэффициентов при воздействии на датчики силы номинальной нагрузки. При этом система переводится в режим калибровки и работает по следующему алгоритму:

1. Перевод системы в режим калибровки путем одновременного нажатия кнопок «калибровка» и «фиксация» на лицевой панели блока обработки;

2. Обнуление показаний первого канала посредством нажатия кнопок «балансировка» на лицевой панели блока обработки при отсутствии нагрузки на калибруемый датчик силы;

3. Задание номинального значения нагрузки на настраиваемый датчик силы;

4. Нажатие кнопки «калибровка»;

5. Расчет значений коэффициента преобразования для настраиваемого датчика силы;

6. Переход к следующему датчику силы с сохранением значения коэффициентов преобразования для настраиваемого датчика силы в энергонезависимой памяти контроллера датчика силы посредством нажатия кнопки «фиксация», либо выход из режима настройки посредством одновременного нажатия кнопок «калибровка» и «фиксация».

Второй способ заключается в программировании заранее известных коэффициентов преобразования посредством ПЭВМ через один из интерфейсов связи. При использовании второго способа возможно программирование коэффициентов преобразования непосредственно в датчики силы без использования блока обработки.

Для выполнения поставленной задачи, автором была разработана структурная схема блока обработки для датчиков силы, представленная на рисунке 3.

Блок обработки построен на основе двух 32-х разрядных микроконтроллеров серии 1986ВЕ9х , МК1 и МК2. Микроконтроллер МК1 реализует функцию внешних интерфейсов связи с датчиками силы ДС1-ДС4. На микроконтроллере МК2 реализованы следующие функции:

- Аналогово-цифровое преобразование сигналов при использовании аналоговых линий связи с датчиками в случае отсутствия подключения по цифровым линиям связи;

- Вывод на индикацию;

- Балансировка датчиков силы; - Интерфейс связи с ПЭВМ оператора; - Самодиагностика системы.

- Сохранение данных на USB Flash накопитель (при условии подключения последнего);

Рисунок 3 - Структурная схема блока обработки для датчиков силы

Микроконтроллеры блока обработки связаны между собой последовательным интерфейсом связи на основе аппаратных блоков УАПП микроконтроллеров (УАПП9 МК1 и УАПП1 МК2).

Внешний интерфейс RS-485 для связи с ПЭВМ реализован на основе аппаратного блока УАПП микроконтроллера, интерфейс для подключения ВОЛС для связи с ПЭВМ в микроконтроллере МК2 реализован програмно с использованием одного аппаратного таймера/счетчика микроконтроллера.

Дифференциальные усилители ДУ1 - ДУ4 схемотехнически реализованы аналогично дифференциальным усилителям датчиков силы. В качестве источника опорного напряжения АЦП МК2 использован внешний высокостабильный прецизионный источник опорного напряжения на основе микросхемы типа AD780.

Блок индикации бока обработки построен с использованием светодиодных семисегментных четырехразрядных индикаторов типа SA5611SRWA , имеющие отдельные выводы для всех сегментов, что позволяет использовать как статическую, так и динамическую индикацию.

Блок питания аппаратуры обработки информации построен на основе двухтактного полумостового импульсного преобразователя постоянного напряжения, являющейся модификацией схемы Ройера. Для стабилизации входного напряжения ППН применен стабилизатор компенсационного типа на основе интегрального стабилизатора типа 142ЕН2Б.

Согласно предъявленным требованиям автором была разработана структурная схема блока обработки и были выбраны датчики силы для него. Автором разработана структурная схема датчика силы, приведённая на рисунке 4.

Рисунок 4 - Структурная схема датчика силы

Она включает в себя тензорезистивный мост (ТМ), сумматор, дифференциальный усилитель (ДУ), источник опорного напряжения (ИОН), аналоговый ключи, микроконтроллер (МК), со встроенными АЦП и универсальными асинхронными приемо-передатчиками (УАПП), преобразователь уровней для реализации цифрового проводного интерфейса типа RS-485 и оптического приёмника для реализации канала (ВОЛС) . Применение аналоговой линии связи обеспечивает возможность применения датчиков силы, не имеющих цифровых интерфейсов связи.

Для осуществления связи датчиков силы с блоком обработки автором одновременно применяется ВОЛС, цифровой интерфейс связи типа RS485. Применение одновременно двух типов линий связи позволяет повысить надёжность системы за счёт сравнения данных, полученных по двум различным, не связанным между собой каналами, что в том числе обеспечит целостность полученных данных. Разработанная автором структурная схема информационного канала информационно-измерительной системы приведена на рисунке 5.

Рисунок 5 - Структурная схема канала обработки данных.

Дифференциальный сигнал с ТМ поступает на вход ДУ, имеющего коэффициент усиления около 200, точный коэффициент усиления подбирается при настройке и зависит от коэффициента преобразования тензорезистивного моста. Дифференциальный усилитель реализован на микросхеме типа 1463УБ1У, представляющей из себя прецизионный инструментальный усилитель с программируемым коэффициентом усиления посредством внешнего резистора и программируемым напряжением смещения нуля. С выхода инструментального усилителя сигнал поступает на вход аналого-цифрового преобразователя микроконтроллера датчика силы (МК ДС). В качестве микроконтроллера датчика силы применен 32-х разрядный микроконтроллер типа 1986ВЕ93У, имеющий два встроенных 12ти разрядных аналого-цифровых преобразователя.

В ходе написания данной статьи был разработан блок обработки для датчиков силы, отличающийся введением цифровых интерфейсов для связи с датчиками. Это позволило снизить основную погрешность с 2% до 0,5%, а также повысить надёжность всей системы в целом.

Размещено на Allbest.ru