Устройства сбора и обработки информации

Задачи контроля процессов и управления объектами в реальном времени не могут быть решены без обработки большого количества цифровых и аналоговых данных, существующих и изменяющихся одновременно. Цифровые данные – это однобитовые (одноразрядные) цифровые сигналы, отображающие такие параметры процесса или объекта, которые можно охарактеризовать только двумя различающимися состояниями. Например, включен/выключен, открыто/закрыто. Цифровой сигнал представлен постоянным напряжением высокого уровня (логическая единица) и низкого уровня (логический нуль). Расстояние между уровнями выбирается исходя из условия их различимости с очень высокой надежностью.

Аналоговые данные могут иметь различную физическую природу и отображать изменение температуры, давления, геометрических размеров, местоположения, угла поворота объекта и т. п. В этом случае для преобразования данных в электрические величины используются специальные устройства – первичные измерительные преобразователи (датчики). Изменение напряжения на выходе датчика пропорционально изменению физического параметра на его входе.

Задачами устройства сбора и обработки являются периодический опрос за заданное время всех источников цифровой и аналоговой информации, выработка служебной информации для разделения информационных кадров (решения задачи синхронизации), передача всей информации по каналу связи.

При передаче по каналу связи на сигнал воздействуют помехи, удельный вес которых при малых абсолютных значениях сигнала может быть весьма большим. Существенно меньшему влиянию помех подвержены цифровые сигналы, поскольку расстояние между уровнями логического нуля и единицы выбирается значительно больше величины помехи. В связи с этим аналоговый сигнал перед передачей по каналу связи преобразуется в цифровой (двоичный) код, значение которого в двоичной позиционной системе счисления однозначно соответствует уровню аналогового напряжения. Точность аналого-цифрового преобразования зависит от количества разрядов кода. Так, например, при наличии в двоичном коде пяти разрядов аналоговый сигнал можно представить одним из 32 (2⁵) уровней, равномерно расположенных по всему диапазону изменения сигнала (двоичные коды уровней изменяются от 00000 до 11111). Максимальная ошибка преобразования возникает при попадании аналогового сигнала точно между двумя соседними уровнями и составляет 1/64 всего диапазона изменения аналогового сигнала (1/2 расстояния между соседними уровнями). В предположении равной вероятности появления аналогового сигнала в любой точке диапазона изменения (равномерный закон распределения) среднеквадратическая ошибка (СКО) преобразования уменьшается в Ö3 раз.

При заданной точности (СКО в процентах) число разрядов аналогоцифрового преобразователя (N _АЦП) рассчитывается по следующей формуле:

и округляется в большую сторону до ближайшего целого числа.

Передача цифровых сигналов уровнями постоянного напряжения, соответствующими логическим нулю и единице, требует широкополосного канала связи, нижняя граница частоты которого должна быть равна 0 Гц, поскольку необходимо передавать постоянную составляющую спектра сигнала. Это весьма невыгодно, так как канал связи используется неэффективно, нет возможности применить частотное разделение нескольких систем сбора информации, работающих параллельно, и использовать один канал. Задача может быть решена с помощью переноса спектра цифрового сигнала в область высоких частот путем модуляции несущей частоты. В качестве модулируемого параметра может быть использована фаза, частота или амплитуда колебаний несущей.

Рассмотренный круг задач, решаемых устройством сбора и преобразования, позволяет представить структуру устройства в виде рисунке.

Мультиплексоры предназначены для последовательного переключения заданного количества аналоговых и цифровых сигналов на один соответствующий выход. Переключение сигналов происходит "по кругу", каждый из входных сигналов должен присутствовать на выходе мультиплексора только один раз за заданный период опроса.

Уровни аналоговых сигналов преобразуются в двоичные коды с заданной точностью с помощью АЦП.

Центральным блоком в устройстве является однокристальная ми-

кроЭВМ (ОЭВМ), на которую возлагается решение следующих задач:

– выработка служебной информации (синхропоследовательности);

– управление мультиплексорами;

– управление АЦП и преобразование полученного параллельного двоичного кода в последовательный цифровой поток;

– формирование с помощью цифроаналогового преобразователя (ЦАП) сигнала-переносчика единицы цифровой информации (бита);

– управление модулятором, воздействующим на один или несколько параметров сигнала-переносчика (фазу, частоту несущей, амплитуду огибающей).

Для того чтобы сигнал-переносчик обладал сосредоточенным спектром, несущая частота умножается на огибающую, представляющую собой половину периода функции синус или квадрат синуса. Чем больше периодов несущей частоты разместится внутри огибающей, тем сильнее концентрируется спектр около несущей.

Время передачи одного бита Т ₀ и, следовательно, длительность огибающей зависят от заданного периода опроса Т _опр и общего количества бит N _к, передаваемых в информационном кадре: N _к = N _с + N _АЦП N _а + N _ц,

где N _с – число передаваемых бит синхрогруппы, N _а – количество аналоговых каналов, N _АЦП – разрядность аналого-цифрового преобразователя, N _ц – количество цифровых каналов. Длительность передачи одного бита составляет Т ₀ = Т _опр / N _к.

Несущая частота может вырабатываться как самостоятельным генератором, так и собственно однокристальной микроЭВМ, если в ее составе имеются соответствующие аппаратные средства. Номенклатура микроЭВМ, выпускаемых в настоящее время, достаточно широка. Ограничимся анализом возможностей микроЭВМ семейства MCS-51. Элементная база, с помощью которой реализуются основные узлы устройства сбора и обработки информации, подробно рассмотрена в разд. 7 настоящего пособия.

Дата добавления: 2014-12-27