Подписка на новости

Опрос

Нужны ли комментарии к статьям? Комментировали бы вы?

Реклама

 

2007 №1

Модули технологических датчиков для распределенных систем сбора информации. Сравнение датчиков Analog Devices и Texas Instruments

Зайцев Олег  
Троицкий Юрий  

Рассматриваются аппаратно-программные средства для построения универсальных модулей для распределенных систем сбора информации с датчиков технологических параметров на базе однокристальных микроконверторов семейства ADuC8xx фирмы Analog Devices и семейства MSC12xx фирмы Texas Instruments.

Современное производство требует осуществления оперативного контроля большого количества технологических параметров, снимаемых с различных датчиков, которые могут быть разнесены на значительные расстояния и друг от друга, и от устройства сбора и обработки данных. Поскольку первичные чувствительные элементы (сенсоры) формируют выходные электрические сигналы довольно низкого уровня, для повышения помехозащищенности необходимо располагать модули первичной обработки сигналов в непосредственной близости от них. В качестве таких модулей можно использовать нормализаторы, преобразующие низкий уровень первичных сигналов в стандартные уровни токов (например, 4–20 мА) или непосредственно в кодовую последовательность. В последнем случае кроме аналого-цифрового преобразования модуль должен обеспечить требуемый протокол связи с использованием заданного физического интерфейса.

Появление интегрированных систем сбора информации, содержащих на одном кристалле прецизионные аналого-цифровые и цифро-аналоговые преобразователи, а также многофункциональный микроконтроллер, обеспечивающий возможность первичной обработки полученной информации и ее передачи по стандартным или специальным интерфейсам промышленной сети, значительно упростило создание универсальных модулей с расширенными функциональными возможностями. Наибольшую известность среди таких систем получили однокристальные прецизионные системы сбора данных (микроконверторы) семейства ADuC8xx фирмы Analog Devices [1] и семейства MSC12xx фирмы Texas Instruments [2]. Микросхемы этих серий включают в себя один или два 16- или 24-разрядных аналого-цифровых преобразователя с сигма-дельта модуляцией, цифро-аналоговые преобразователи, а также встроенный микроконтроллер с ядром МС51 и расширенной периферией, которая обеспечивает широкие возможности организации различных способов обмена с внешними устройствами.

На базе микроконвертора ADuC847 [3] на кафедре промышленной электроники СФ МЭИ разработаны экспериментальные образцы семейства интеллектуальных модулей МСХ_2005 для сбора распределенных систем сбора информации с технологических датчиков. Основными отличиями ADuC847 (так же как ADuC845 и ADuC848 ) от предыдущих серий ADuC812 и ADuC824 являются:

  • увеличение до 62 кбайт резидентной флэш-памяти программ;
  • увеличение до 2,304 байт резидентной памяти данных;
  • увеличение до 4 кбайт внутренней EEPROM;
  • увеличение скорости обработки данных до 12,58 MIPS (большинство команд выполняется за один такт);
  • увеличение скорости передачи данных по асинхронному каналу до 230 кбит в секунду;
  • возможность увеличения частоты аналого-цифрового преобразования до 1365 Гц;
  • увеличение числа каналов АЦП (до 5 дифференциальных входов в корпусе 56-CSP или 8 — в корпусе 52MQFP).

Указанное число дифференциальных входов позволяет реализовать оба четырехканальных модуля без дополнительных внешних мультиплексоров при использовании микроконверторов в корпусе 56-CSP.

В состав серии МСХ_2005 входят: модуль аналоговый универсальный МСU_2005 и модуль аналоговый резистивный — МСR_2005.

Модуль аналоговый универсальный МСU_2005

Модуль МСU_2005 предназначен для измерения температуры с помощью термопарных датчиков [4], а также напряжения и токов.

Источники внешних сигналов подключаются к клеммам Х1.1-Х1.2 …( Х4.1-Х4.2) (рис. 1). При наличии экранной оплетки у сигнального кабеля он может быть подключен к клеммам Х1.3-Х4.3.

Рис. 1. Входные цепи модуля MCU_2005

При подключении технологических датчиков в условиях промышленного производства большое значение приобретает защита схемы от импульсных помех, для чего широко используются защитные диоды VD1, VD2. Защитные диоды при импульсной помехе, превышающей напряжение пробоя VBR, практически закорачивают входную цепь, пропуская через себя ток до сотен ампер в течение короткого времени (сотен микросекунд). При более длительной помехе успевают срабатывать твердотельные предохранители F1, F2.

Измеряемая с помощью термопар температура является функцией э. д. с. горячего спая Ег.с и э. д. с. холодного спая Еx.с:

Функция (1) является нелинейной и может быть аппроксимирована с помощью обратного степенного полинома:

где n — порядок полинома, который может достигать значения 14 и выше, в зависимости от характеристики термопары и требуемой точности линеаризации.

Для снижения степени полинома при заданной погрешности всю характеристику термопары разбивают на участки, для которых вычисляют свой полином.

Поскольку с выхода термопары снимается разность э. д. с. (ΔЕ) горячего (Eг.с) и холодного (Eх.с) спаев (ΔЕ = Eг.с – Eх.с), в модуль для измерения температуры холодного спая термопары введен термометр DD2 — DS18S20 фирмы Maxim c точностью измерения 0,5 °С в диапазоне –55...+125 °С. Использование встроенного термометра микроконвертора ADuC847 оказалось невозможным из-за недопустимо высокой погрешности измерения. Погрешность определяется тем, что встроенный термометр измеряет не температуру холодного спая, а температуру подложки микросхемы, которая может отличаться от температуры окружающей среды на 10 °С и более. В условиях работы микроконтроллера в распределенной информационной системе, требующих постоянной готовности устройства к обмену информацией с центральным контроллером, невозможно снизить разогрев кристалла активным использованием режима энергосбережения.

Для вычисления Еx.с. по значению Tx.с. используют прямой степенной полином:

Преобразования по формуле (3) производятся в узком температурном диапазоне, определяемом условиями работы модуля Т = (–40…+60 °C), что позволяет снизить порядок полинома. Однако для этого диапазона, как правило, не годятся значения многих справочных коэффициентов разложения di.

Алгоритм вычисления температуры объекта с помощью термопары сводится к следующему:

  • измеряется э. д. с. c выхода термопары ΔЕ = Eг.с – Eх.с,
  • измеряется температура окружающей среды Т с помощью цифрового термометра,
  • по формуле (3) рассчитывается значение Eх.с,
  • вычисляется:
  • по формуле (2) вычисляется значение температуры объекта T °C.

Программное обеспечение микроконвертора обеспечивает выполнение указанного алгоритма для всех стандартных типов термопар: B, E, J, K, R, S, T.

Модуль аналоговый резистивный — МСR_2005

Модуль МСR_2005 предназначен для измерения температуры с помощью медных или платиновых терморезисторов. Он может также использоваться для измерения других параметров, связанных с измерением приращения сопротивления датчика, например давления [5].

Терморезисторы подключаются к клеммам Х1.1-Х1.4 …(Х4.1-Х4.4) по 4-проводной схеме включения. Для обеспечения 3-проводной схемы включения необходимо замкнуть клеммы Х1.1, Х1.2, а для 2-проводной — также Х1.3, Х1.4.

Резисторы R1 = Rоп, TR и R2 образуют измерительную цепь (рис. 2). Токи внутренних источников микроконвертора IEXC1 (I1) и IEXC2 (I2) создают на резисторе R1 падение напряжения:

Рис. 2. Входные цепи модуля MCR_2005

UREF используется в качестве опорного напряжения для АЦП. На входы АЦП подается сигнал, снимаемый с терморезистора TR:

где n — разрядность АЦП, Ni — код, соответствующий значению UTR, Nmax — код полной шкалы АЦП.

Подставляя в (6) значение UREF из (5), получим:

то есть результат преобразования АЦП не зависит от нестабильности тока (I1+I2), а лишь от точности сопротивления резистора Rоп.

Резистор R2 обеспечивает сдвиг синфазного сигнала на величину: U = R2×(I1+I2) = 252 мВ, что обеспечивает преобразование малых сигналов (<100 мВ).

Для медных терморезисторов зависимость приращения сопротивления ΔTR от температуры Т °С носит линейный характер:

где α — температурный коэффициент терморезистора (для меди α лежит в пределах 4,26 10–3… 4,52 10–3 °С–1 в зависимости от типа терморезистора, а ТR(0) — значение сопротивления терморезистора при нулевой температуре).

С учетом выражения (7) следует:

где N0 — код преобразования АЦП, соответствующий значению ТR(0), записываемый при калибровке в память EEPROM микроконвертора.

Для платиновых терморезисторов зависимость сопротивления от температуры ТR = F(T) нелинейна и чаще всего представляется двумя полиномами.

Для диапазона –200…0 °С:

Для диапазона 0…+850 °С:

Коэффициенты имеют следующую величину:

  • А = 3,9083×10–3 °С–1,
  • В = –5,775×10–7 °С–1,
  • С = –4,183×10–12 °С–1.

Решая (10) как квадратное уравнение, получим:

Уравнение (12) позволяет вычислить значение температуры только для положительного диапазона.

Более универсальным подходом является представление степенным полиномом обратной функции Т = φ(ТR).

Все процедуры первичной обработки полученной с первичных датчиков информации выполняются микроконтроллером с ядром МС51, встроенным в микроконвертор с объемом встроенной флэш-памяти до 62 кбайт. Возможности микроконтроллера значительно расширяются за счет наличия энергонезависимой памяти данных (EEPROM). Двухсторонняя связь с центральным контроллером (ЭВМ) осуществляется по помехозащищенному интерфейсу RS-485.

Как показано выше, одной из основных процедур обработки первичной информации является процедура линеаризации характеристик используемых сенсоров. Для стандартных термопар в справочных данных можно найти рекомендуемые значения коэффициентов полиноминального разложения. Однако эти коэффициенты не всегда обеспечивают требуемую точность аппроксимации функции во всем используемом диапазоне. Кроме того, могут использоваться термопары, для которых отсутствуют справочные данные, или может возникнуть задача использования другого типа датчика, например термистора, датчика давления, влажности и т. д. В связи с этим в комплект программного обеспечения входит программа вычисления коэффициентов линеаризации характеристик используемых датчиков (рис. 3). Причем для ряда стандартных сенсоров (термопары типа B, J, K, R, S, T, платиновые терморезисторы) коэффициенты вносятся в память программ изготовителем модулей; для дополнительных датчиков потребитель может рассчитать по табличным зависимостям коэффициенты линеаризации, обеспечивающие требуемую точность аппроксимации. Полученные коэффициенты заносятся потребителем при согласовании со своими метрологическими службами.

Рис. 3. Окно программы линеаризации характеристики датчиков степенными полиномами

Табличная зависимость «ЭДС–температура» аппроксимируется полиномами 12–15 степени. Однако вычисление коэффициентов данного полинома численными методами в ряде случаев является неустойчивой задачей, что затрудняет подготовку коэффициентов полинома пользователем. Кроме того, погрешность подобной аппроксимации достаточно высока, что влияет на точность измерения в целом. В случае использования полинома применяется два полинома — для положительных и отрицательных ЭДС. Для хранения коэффициентов полиномов 12-й степени требуется 4×13×2 = 104 байта памяти, что является достоинством данного метода.

Другим способом линеаризации характеристик датчиков, входящим в ПО модуля, является метод кусочно-линейной аппроксимации, который состоит в замене аппроксимируемой кривой множеством отрезков прямых. Точность аппроксимации зависит от количества отрезков и методики выбора их длины. Достоинством метода является возможность вычисления средней и максимальной погрешности аппроксимации на каждом из отрезков, что позволяет производить аппроксимацию автоматически, варьируя длину каждого отрезка и количество отрезков, исходя из заданной погрешности и характера аппроксимируемой характеристики. Практика показала, что, используя 64 отрезка, можно аппроксимировать табличную зависимость термопары любого типа на всем диапазоне рабочих температур. Для описания одного отрезка требуется 12 байт, соответственно для хранения всех отрезков требуется 768 байт EEPROM. Для большинства термопар можно обойтись меньшим количеством отрезков, что позволяет сократить объем памяти до 300–500 байт. Например, для термопары типа T достаточно всего 32 отрезков для получения максимальной погрешности менее 0,1° и средней погрешности менее 0,05°.

Аппроксимация табличной зависимости при помощи кусочно-линейной аппроксимации является устойчивой задачей, может решаться автоматически и позволяет достигать заданной точности с минимизацией количества отрезков. По сравнению с аппроксимацией степенными полиномами кусочно-линейная аппроксимация (рис. 4) обеспечивает более высокую скорость вычисления (вместо 25 операций умножения и 13 операций сложения с плавающей запятой в случае применения полинома при кусочно-линейной аппроксимации используются только одна операция сложения и одна операция умножения и до 64 операций сравнения).

Рис. 4. Окно программы кусочно-линейной линеаризации характеристики датчиков

В состав ПО входит целый комплекс программных модулей, обеспечивающих программирование микроконтроллеров и отладку модулей сбора информации в условиях производства и метрологической аттестации и периодического контроля в условиях эксплуатации.

Комплекс содержит следующие модули:

  1. Модуль для загрузки программы во флэш-память ОМК с контролем успешности загрузки.
  2. Модуль контроля работоспособности ОМК — для проверки реакции устройства на все обязательные команды протокола обмена (рис. 5).
  3. Рис. 5. Окно модуля контроля выполнения команд протокола обмена
  4. Модуль контроля работы устройства в любом режиме — для установки указанного оператором режима работы и отображения результатов измерения (рис. 6).
  5. Рис. 6. Главное окно программы в режиме калибровки и программирования
  6. Модуль проведения процесса калибровки устройства. Он представляет собой пошаговый процесс, который предполагает настройку устройства на калибруемый режим измерения, запрос у пользователя о подаче калибровочного сигнала на калибруемый вход, опрос устройства и вычисление калибровочных коэффициентов. Рассчитанные коэффициенты передаются устройству, после чего производится проверка успешности и качества калибровки.
  7. Модуль проведения поверки устройства — отличается от 1.4 тем, что вместо вычисления и записи калибровочных коэффициентов рассчитывается погрешность измерения.
  8. Модуль формирования протоколов с результатами тестирования и калибровки.

В заключение отметим, что именно применение однокристальных систем сбора информации, обеспечивающих высокие метрологические характеристики аналого-цифрового преобразования малых уровней электрических сигналов в сочетании с комплектом пакетов программного обеспечения, позволило создать семейство высокоточных технологических модулей для контроля самых различных физических параметров.

Литература

  1. www.analog.com
  2. Редькин П. П. Прецизионные системы сбора данных семейства MSC12xx Texas Instruments: архитектура, программирование, разработка приложений. М.: Додэка-ХХI, 2006.
  3. Зайцев О., Троицкий Ю. Однокристальные микроконверторы семейства ADuC83xx b и ADuC84xx // Электронные компоненты. 2005. № 1.
  4. Зайцев О. В., Синько С. Н., Троицкий Ю. В. Метрологические особенности систем сбора информации с температурных датчиков на базе микроконтроллеров ADuC8xx // Схемотехника. 2005. № 9.
  5. Смирнова О., Троицкий Ю. Интеллектуальные датчики давления //Компоненты и технологии. 2006. № 7.

Скачать статью в формате PDF  Скачать статью Компоненты и технологии PDF

 


Другие статьи по данной теме:

Сообщить об ошибке