APARATE DE MASURA CU MICROPROCESOR

APARATE DE MaSURa CU MICROPROCESOR

11.1. Logica cablata, logica programata.

Un algoritm de masurare presupune executarea unei secvente de operatii: comutari, comparari, atenuari, conversii, etc. Dispozitivele de comanda ale aparatelor, care controleaza aceasta succesiune, au preluat, urmare cresterii capacitatii lor de prelucrare, tot mai multe astfel de operatii, usurand sarcina operatorului.

Pe de alta parte, dispozitivele de comanda care realizeaza secventele prin stabilirea unor conexiuni galvanice intre diferitele componente electrice si electronice - logica cablata - nu mai pot fi modificate in vederea obtinerii altor functiuni, decat prin reproiectare integrala. Structura este rigida, aparatul fiind specializat strict pentru un tip de algoritm de masurare. Cresterea performantelor s-a facut ulterior prin cresterea preciziilor etajelor electronice componente.

Aparitia microprocesoarelor a facut posibila inlocuirea acestui tip de logica fixa, data de conexiunile prin trasee conductoare intre componentele schemei, cu logica programata, realizata prin instructiuni de program. In acest fel devine posibila modificarea comoda si rapida a secventei de lucru a unei structuri de circuite prin modificarea programului care comanda secventa respectiva, program rezident in memoria sistemului microprocesor. Un astfel de dispozitiv de comanda de aparat isi poate modifica deci simplu functia, folosind acelasi set de circuite, structura devenind astfel flexibila.

Aparatura de masura constituie u 121c27b nul din cele mai importante domenii de aplicatie a microprocesoarelor. Din consecintele favorabile ale introducerii m P in aparatura de masurat amintim:

• cresterea fiabilitatii, simultan cu reducerea pretului de cost, prin reducerea numarului de circuite utilizate;
• marirea preciziei de masurare prin :

o          autoetalonare;

o          eliminarea erorilor sistematice;

o          corectia derivei nulului;

o          eliminarea erorilor aleatoare si a zgomotului, prin mediere;

• simplificarea muncii de proiectare si de elaborare a documentatiei;
• reducerea substantiala a consumurilor de energie electrica.

Unele functii pot fi virtuale (implementate soft), dar pot fi eventual achizitionate si ca module reale, completand posibilitatile aparatului de baza. Alte functii pot fi sintetizate prin program de catre utilizator. Evolutia acestei categorii de aparate se face in special pe directia softului, crescand importanta si costul acestuia.

11.2. STRUCTURA GENERALA A APARATELOR DE MASURAT CU mP

In comparatie cu aparatele al caror dispozitiv de comanda este realizat in logica cablata, aparatele de masurat cu mP au specifica prezenta unui nod de comunicatie a datelor numerice, reprezentat de mP.

Se exemplifica cu o schema de multimetru - fig.11.1. Se observa ca dispozitivul de comanda comunica pe de o parte cu elementele de pe panoul frontal, memorand comenzile primite de aici si comunicand operatorului rezultatele si semnalizarile necesare. Pe de alta parte el comunica cu celelalte blocuri componente ale aparatului (CAN, bloc de conditionare a semnalelor, filtru si multiplexor analogic, convertoare de marimi), direct sau prin intermediul unor amplificatoare de izolare.

Exista structuri de comanda uni- sau multiprocesor, in functie de sarcinile care trebuie indeplinite.

11.2.1. STRUCTURA UNIPROCESOR

Aceasta prezinta avantajul unui pret de cost mai redus, in schimb timpul de raspuns va fi mai lung, intrucat singurul procesor din schema trebuie sa preia gestiunea tuturor operatiilor si semnalelor vehiculate. Rezulta si o frecventa de repetare a masurarilor mai mica. Reluand schema bloc a multimetrului in fig. 11.2, se pun in evidenta si alte aspecte.

    In chenarul cu linie intrerupta s-au reprezentat circuitele analogice. Acestea au masa izolata fata de masa generala aparatului si sunt ecranate. Legatura cu celelalte etaje ale aparatului se face prin intermediul unui modul izolator. MA₁ este o magistrala analogica unidirectionala si leaga intrarea de modulele analogice; legatura bidirectionala intre acestea este realizata prin magistralele MA₂, MA₃.

    Magistrala numerica MN serveste la vehicularea comenzilor de la dispozitivul de comanda cu mP spre circuitele analogice, cat si la transmiterea in sens invers a informatiilor privind aceste circuite. Magistrala numerica MN₂ este bidirectionala si asigura legatura dintre dispozitivul de comanda si panoul frontal, respectiv memoria de calibrare si interfata pentru telecomenzi.

11.2.2. STRUCTURA MULTIPROCESOR

Se exemplifica cu o structura biprocesor a unui voltmetru numeric. Din cele doua procesoare:

O solutie moderna o constituie folosirea de CAN cu multiplicare. Sunt de fapt retele R-2R inversate, cu comutarea tensiunii. Plasand o astfel de retea in bucla de  reactie a unui amplificator operational se obtine un amplificator cu castig programabil, ca in fig. 11.4. Castigul schemei este intre  si .

Tensiunea de iesire este:

(11.1)

unde N este numarul de celule R-2R, deci si lungimea cuvantului de comanda a comutatoarelor C₀.C_n-1. Intrucat intotdeauna , rezulta ca:

(11.2)

Fig.11.4.

Ca elemente de comutare se folosesc in mod curent circuite multiplexoare-demultiplexoare analogice. Comanda lor se face simplu prin aplicarea unui cod de comanda de catre mP (cuvantul de c-da N).

11.3.2. COMANDA CAN

Deoarece convertoarele analog - numerice integrate contin o sectiune de conducere a secventei de conversie, rolul mP revine numai la a da comanda de incepere a operatiei si de a dirija rezultatul in locatiile prestabilite, atunci cand conversia este incheiata. Terminarea conversiei este semnalizata de circuitul convertor catre m P.

11.3.3.COMANDA COMUNICATIEI DINTRE BLOCURILE COMPONENTE ALE

UNUI APARAT

mP supervizeaza comunicatia intre blocurile componente ale aparatului, atat analogice cat si numerice, prin alocarea resurselor de comunicatie sau prin participare directa, primind si predand date (numerice).

Din punct de vedere al realizarii, legaturile intre blocuri se pot realiza:

Accesul pe magistrala, cat si iesirea de pe ea, se pot efectua cu comutatoare electronice integrate (multiplexoare-demultiplexoare analogice), ca in fig. 11.5. Secventa de trimitere a unui semnal de la o intrare (A_i, ) diferentiala la o iesire (B_k, ) se face in urma selectarii cailor respective prin semnalele de comanda ale multiplexoarelor de catre m P.

Comunicatia numerica se realizeaza mai ales intre blocurile cu iesire sau intrare numerica si mP si mai rar direct intre blocuri. Ea se poate face prin urmatoarele tehnici:

Panoul de comanda este necesar pentru transmiterea de catre operator a comenzilor in vederea realizarii ciclului de masurare. El este o claviatura specializata sau de uz general alfanumerica, care inlocuiesc comutatoarele si potentiometrele de reglaj.

Claviaturile specializate sunt destinate alegerii domeniilor si functiilor specifice aparatului, iar claviatura alfanumerica serveste in special introducerii unor programe de utilizator si a datelor numerice. O astfel de tastatura, organizata sub forma unei matrici de 64 de puncte, se da in fig. 11.6.

Apasand una din cele 64 de taste se interconecteaza o linie de scrutare x_i cu o linie de iesire y_j. In functie de perechea (i,j) codificatorul furnizeaza codul corespunzator tastei respective, prin extragerea lui dintr-o memorie ROM care contine tabelul cu codurile tastelor. Tot codificatorul furnizeaza un semnal DAV de validare a datelor, testat periodic de mP. Cand DAV = 1, codul prezent la iesire este transferat microsistemului. Semnalul DAC confirma acceptarea datelor.

O alta modalitate de conectare a tastaturii este cea direct la sistem, in acest caz identificarea tastei se face prin program.

Tot la panoul de comanda mai sunt prezente indicatoare numerice si luminoase pentru afisare de date si semnalizarea unor mesaje.

Pentru afisarea informatiei se folosesc dispozitive cu led-uri sau cristale lichide, sau cand se afiseaza simultan un numar mare de caractere alfanumerice, tuburi catodice.
    S-au realizat, de asemenea, dispozitive care combina functiile de afisare si comanda, tuburi catodice cu taste senzoriale pe ecran, sensibile la

Fig.11.6. atingerea cu degetul.

11.3.5. COMANDA COMUNICATIEI CU EXTERIORUL PRIN INTERMEDIUL

MAGISTRALELOR STANDARD

Necesitatea interconectarii aparatelor de masurare a impus standardizarea comunicatiei intre ele, prin utilizarea unor interfete unanim acceptate.

De ex., o interfata produsa de firma Hewlett-Packard in 1975, HP-IB (Hewlett-Packard Interface Bus) a devenit standardul IEEE-488. Ea mai este cunoscuta si sub denumirea de GPIB (General Purpose Interface Bus). Standardul GPIB defineste mediul fizic in care sunt interconectate aparatele.Aceasta interfata permite interconectarea a cel mult 15 aparate de uz general la o magistrala de lungime maxima de 20 m si care asigura o capacitate de transfer de cel mult 1 Mbyte/s.

In functie de gradul lor de inteligenta si de functiunile lor, aparatele pot indeplini una din functiile: controler, controler si emitator, receptor, controler si receptor, emitator - receptor, emitator sau receptor. Pentru emitator se mai utilizeaza si termenul de vorbitor, iar pentru receptor cel de ascultator.

Magistrala este alcatuita din 16 cai:

8 linii bidirectionale de date Df 1.Df 8 (magistrala de date);

5 linii de control a interfetei (magistrala de control):

o    anulare interfata;

o    atentie;

o    sfarsit de mesaj;

o    comanda exterioara;

o    cerere de serviciu;

3 linii pentru asigurarea protocolului de comunicare cu confirmare (magistrala de transfer):

o    validare date;

o    inapt pentru primirea datelor;

o    date neacceptate.

    Toate semnalele sunt active la nivel mare de tensiune (0 logic).

Controlerul de magistrala primeste informatii privind sursa si destinatia datelor si pregateste aparatele in vederea desfasurarii efective a schimbului.

Alte exemple de magistrale binecunoscute sunt magistralele seriale RS- 232C, RS-485, magistrala CEI-625, de asemenea standardizate.

11.3.6. TESTAREA SI CALIBRAREA BLOCURILOR COMPONENTE ALE

APARATULUI

Testarea corectei functionari si calibrarea sunt operatii dificile pentru operator datorita complexitatii echipamentelor. In acelasi timp ele sunt corelate. De aceea s-a ajuns la solutia testarii automate, cu ajutorul microsistemului, a blocurilor componente si a aparatului in ansamblu, prin intermediul unor programe de test.

mP poate doar semnala existenta unei abateri inadmisibil de mari aparute in cursul testarii sau poate detecta chiar blocul ce prezinta defectul. In acest ultim caz se prevede inca din faza de proiectare posibilitatea de izolare a blocurilor componente, printr-o structura interna cu comunicatii de tip magistrala.

Testarea propriu-zisa se face conectand la intrarea blocurilor testate stimuli numerici sau analogici si urmarindu-le raspunsurile. Stabilirea blocurilor sau grupului de blocuri ce se testeaza, ca si succesiunea testarilor, influenteaza mult volumul programului de testare.

Programele de testare se activeaza la punerea sub tensiune, periodic sau la cererea operatorului.
    Operatia de calibrare, care urmareste aducerea aparatului la parametrii doriti, cuprinde compensari de decalaje si derive, corectii ale unor parametri (amplificari, atenuari, s.a.). Operatia de calibrare fiind de multe ori iterativa, poate fi preluata de m P.

11.3.7. IMPLEMENTAREA UNOR NOI ALGORITMI DE MASURARE

Folosirea mP permite implementarea unor algoritmi de masurare complecsi, atat ca secventa, cat si ca relatii de calcul implicate, la un pret de cost rezonabil. Singurele limitari care apar la folosirea unor algoritmi laboriosi se datoreaza vitezei de lucru a mP.

Algoritmii folosiri, pentru a oferi o precizie superioara, e necesar sa fie prevazuti cu termeni de corectie raportati la conditiile de mediu (temperatura, umiditate, presiune, etc.).

Odata cu evolutia mP a crescut desigur si precizia oferita de ele aparatelor de masura. Cele pe 8 biti nu ofera o precizie suficienta, intrucat rezolutia lor maxima de 1/256 nu este acceptabila, de aceea sunt necesare procesoare de la 16 biti in sus. Este important ca sa se poata folosi in programele care rezolva algoritmii de masurare cuvinte de lungime mare, care sa permita calculele complicate.

Se exemplifica in continuare cu schema bloc a unui aparat de laborator cu mP, frecventmetrul numeric de productie romaneasca E-0208. Principalele caracteristici tehnice ale sale sunt:

o    reciproc (f < 1 MHz);

o    direct (f > 1 MHZ);

selectare automata a modului de masurare si scarii, dupa frecventa de intrare, pentru a obtine rezolutia maxima;

o    dialog asincron acceptor si sursa;

o    ascultator de baza;

o    vorbitor de baza;

o    cerere de serviciu (SRQ);

o    comanda distanta - local;

o    initializare aparat.

Fig.11.7.

Moduri de lucru:

o        functia de autotestare, prin apasarea tastei TEST, aparatul masoara si afiseaza frecventa pilot de 10 MHz;

o          functia viteza de masurare: se apasa tasta DURATA MASURARE;

o          timpul de afisare: se regleaza cu potentiometrul DURATA RECICLARE;

o          nivelul de triggerare se fixeaza manual cu potentiometrul NIVEL;

o          atenuarea, folosind tasta ATENUATOR (x1, x20).

o          AH1 - dialog acceptor;

o          SH1 - dialog sursa,

o          L4 - ascultator de baza; se dezadreseaza la adresarea ca vorbitor;

o          T5 vorbitor de baza;

o          SR1 - cerere de serviciu;

o          RL1 - comanda de la distanta;

o          DC1 - initializare aparat;

o          DT1 - triggerare aparat.

VORBITOR comanda de pe panoul frontal si transmiterea rezultatelor prin interfata. Aparatul lucreaza intr-un sistem fara controlor, de ex. cuplat cu un aparat de inregistrare a rezultatelor masurarii.