Studiul unui sistem multicanal pentru telemăsurarea temperaturilor

Size: px

Start display at page:

Download "Studiul unui sistem multicanal pentru telemăsurarea temperaturilor"

Gerard Davis
5 years ago
Views:

1 TraianTiti Şerban Studiul unui sistem multicanal pentru telemăsurarea temperaturilor SecŃiunea hardware Schema bloc a sistemului multicanal pentru măsurarea temperaturii: Pentru afişarea temperaturilor am optat pentru o prezentare grafică pe monitorul PC, pe care se afişează atât valorile cât şi variańia grafică a temperaturilor în timp. Pentru a ajunge la afişarea temperaturilor pe monitor, este necesară prelucrarea semnalelor furnizate de senzorii de temperatură, astfel încât domeniul de măsură al fiecărui senzor să fie amplificat şi translatat în domeniul valorilor admise pe intrările convertoarelor analog digitale. Această prelucrare şi adaptare a semnalelor furnizate de senzori este realizată de interfańa analogică. Atât senzorul cu termocuplu [TC], cât şi cel cu semiconductori, integrat [LM], furnizează direct un semnal de tensiune, care trebuie amplificată şi translatată din domeniul tensiunilor negative (în cazul TC, care generează tensiune negativă în domeniul temperaturilor negative) în tensiune pozitivă. Pentru senzorul rezistiv [TR], este necesară transformarea valorii rezistenńei de platină în tensiune. Acest lucru se realizează prin injectarea unui curent constant în senzor, la bornele acestuia rezultând o tensiune proporńională cu valoarea rezistenńei senzorului, care este apoi amplificată. Semnalele în tensiune, rezultate în urma prelucrării valorilor furnizate de senzori de către interfańa analogică, pentru a putea fi preluate si prelucrate digital de către PC, face necesară conversia analog digitală [ADC]. Această conversie este realizată de ADC încorporat în microcontrolerul [µc] din blocu numeric de achizińie. Pe lângă achizińia şi conversia analog digitală, rezultatele conversiei trebuie transmise prin intermediul interfeńei seriale RS către PC, întrun format şi cu un protocol compatibil cu programele şi sistemul de operare. Acest lucru este realizat tot de µc, care, după operańiunea de achizińie şi conversie a mărimilor analogice, realizează împachetarea acestor date şi transmiterea serială către PC, la intervale regulate de timp, (cca. s) pentru a avea o corelańie exactă de variańie a mărimilor măsurate în timp. Pentru buna funcńionare a interfeńei analogice şi a sistemului numeric, este necesară alimentarea acestora din surse stabilizate de tensiune, realizate în blocul surselor de alimentare. Componente principale ale secńiunii numerice Microcontrolerul utilizat este de tip P80C, având incorporate următoarele opńiuni hardware necesare pentru funcńiile necesare acestui sistem: a. Convertor analog digital cu rezoluńia de 0 bińi, care conńine si circuitul de eşantionare/memorare (sample and hold). /8

2 TraianTiti Şerban b. Multiplexor analogic cu 8 intrări, care conectează (în funcńie de comanda software) pe rând, fiecare canal analogic la intrarea ADC. c. Două timere: T0 utilizat pentru generarea bazei de timp care asigură intervalul de timp de o secundă între două achizińii şi transmisii de date; T care generează frecvenńa necesară funcńionării interfeńei seriale. d. Unitatea logică centrală, care citeşte codul program şi excută operańiunile logice, aritmetice sau transferurile de date. e. InterfaŃa serială asincronă, de tip semiduplex. Latch pentru octetul inferior de adresă, tip SN7HCT7 (U), are rolul de memorare a adreselor A00 A07, active pe portul P0 al µc în prima parte a unui ciclu maşină. În momentul în care adresele inferioare, disponibile pe portul P0, sunt stabile, µc generează semnalul ALE care ajunge pe pinul latchului şi le memoreză. În a doua parte a ciclului maşină, fiind disponibile toate adresele (cele superioare, de la A08 la A fiind disponibile pe portul P al µc), fie sunt citite instrucńiunile (în format cod maşină) din EPROM, fie se citesc sau scriu date din memoria RAM, fie sunt accesate porturile externe sau interne ale µc, în funcńie de instrucńiunile anterioare. Memoria EPROM, de tip M7C (U), conńine instrucńiunile în format cod maşină care sunt executate de µc. Citirea fiecărei instrucńiuni se activează cu semnalul ALE, generat de µc, moment în care pe pinii de date apare octetul memorat aflat la adresa generată de µc. InstrucŃiunile sunt citite de µc pe portul P0, în a doua parte a cilcului maşină, când acest port devine port de date. Memoria RAM, de tip BSLV (U), este utilizată pentru memorarea datelor pe durata funcńionării µc. Scrierea de date în memorie se face pe durata cât este activ semnalul /WR, generat de µc, iar citirea pe durata cât este activ semnalul /RD, de asemeni generat de µc. Dacă acest cip este alimentat de la o baterie pe perioada cât alimentarea µc nu este disponibilă, memoria se poate utiliza ca memorie nonvolatilă, memorânduse în ea datele înscrise şi pe durata cât placa nu este alimentată. Dacă semnalul /RD este multiplexat cu semnalul ALE, memoria RAM poate fi utilizată şi pentru stocarea codului maşină. În această situańie placa poate fi utilizată ca sistem de /8

3 TraianTiti Şerban dezvoltare, dacă în EPROM se instalează programul MONITOR, care realizează mai multe funcńii: scrierea în RAM a codurilor unui program executabil, preluate de pe PC în cod HEX prin interfańa serială; lansarea programului executabil din memoria RAM; accesul la regiştrii µc; citirea sau scrierea în RAM; funcńii de managerizare a resurselor şi Debuger. Power manager, de tip ADMC89A (U). În schema de fańă sunt utilizate următoarele sale funcńii: generarea semnalului de reset pentru µc, în momentul în care tensiunea de alimentare a acestuia scade sub valoarea minimă la care este garantată buna sa funcńionare, sau la aparińia tensiunii de alimentare; comutarea alimentării memoriei RAM, fie de la VCC, fie de la Ubat în momentul în care alimentarea plăcii dispare (sau scade sub valoarea Ubat); în lipsa alimentării plăcii, menńine pe pinul /OE al memoriei RAM tensiunea Ubat, care are rolul de a o trece în modul Sleep (reducerea la minim a curentului de alimentare a RAM, la valoarea minim necesară strict pentru memorarea datelor înscrise în aceasta). În acest mod, curentul de alimentare scade sub 0.0mA, ceea ce face ca alimentarea dintro baterie de 00mAh sa fie capabilă să Ńină datele stocate în RAM cel puńin pe o durată de 0000 ore (respectiv mai mult de ani). În momentul comutańiei alimentării memoriei RAM de la VCC la Ubat, pentru a se elimina vârfurile de tensiune, se montează condensatorul C9. Multiplexor /RD ALE, realizat cu circuite NAND de tip SN7HCT00 (U). Cu două circuite NAND este realizat multiplexorul, care face posibilă citirea din memoria RAM atât a datelor cât şi a instrucńiunilor de cod. Comutarea din modul de lucru Sistem de dezvoltare in Placa industrială se face din jumperul JP, care aduce pe un pin al NAND fie semnalul ALE, fie VCC. Din acelaşi cip, o poartă NAND este utilizată ca inversor, pentru schimbarea stării logice a adresei A, utilizată pentru selecńia memoriei RAM de la adresa 0x8000h până la 0xFFFFh. Circuit Clamp, de tip TL77 (U7), este utilizat pentru protecńia intrărilor analogice la supratensiuni, care pot apărea pe ieşirile de măsura din placa analogică. Prin înserierea unui rezistor înainte de acest circuit, pe pinii acestuia tensiunea este limitată în domeniul GND VCC, pentru curenńi de până la 0mA. În cazul de fańă, utilizând rezistori cu valoarea de k (R... R), circuitul Clamp protejează intrările analogice ale µc chiar dacă la ieşirea plăcii analogice apar tensiuni în domeniul: 7V... 77V. Buffer pentru interfańa serială, realizat cu tranzistoarele de comutańie de tip NA (Q şi Q). Pentru proiect se utilizează numai partea de transmisie a datelor (către PC), realizată cu tranzistorul Q. RecepŃia, realizată cu Q este necesară pentru utilizarea plăcii ca sistem de dezvoltare, pentru testarea fazelor intermediare şi finale a programului executabil. InterfaŃa nu este una universală, dar este compatibilă cu interfańa serială RS. Valorile rezistorilor (R8... R = k7) au fost alese din două considerente: compatibilitate cu impedanńa RS (tot k7) şi limitarea curenńilor pe pinii µc la mai puńin de.ma (valoare specificată de producător). Dioda D (de tip N8) are rolul de a limita /8

4 TraianTiti Şerban tensiunea negativă de până la V, care apare pe pinul Rx de la interfańa serială RS, pe durata de aşteptare între doi bińi recepńionańi. Baterie tampon (Bat) are valoarea nominală de.v şi are rolul de alimentare a memoriei RAM pe durata cât placa nu este alimentată. Bateria este un acumulator care se încarcă pe durata cât placa este alimentată cu V (VCC) prin dioda D (N8) şi rezistorul de limitare a curentului de încărcare R7. Filtru antialiasing. Se conectează pe intrările analogice ale µc şi sunt realizate cu circuite RC (R... R = k, C... C = 00nF). Cu valorile utilizate se realizează un filtru cu constanta de timp de 0µS, care trebuie să fie mai mare decât durata de conversie a ADC din µc (0µS). Deparazitarea alimentării se realizează cu condensatorii C0... C, cu valoarea de 00nF, care se conectează pe pinii de alimentare a fiecărui circuit integrat care are regim de funcńionare în comutańie (U... U). Conversia analog numerică se realizează prin compararea valorii tensiunii analogice de intrare, cu valoarea unei tensiuni de referinńă. Deoarece ADCul din µc are rezoluńia de 0 bińi, pentru tensiunea de referinńă am ales valoarea.v (0 x mv/lsb). Tensiunea de referinńă este realizată cu schema din fig. De mai jos, care este parte a plăcii care reprezintă interfańa analogică din acest sistem de măsură. V R V C7 0u D ROZ8 k 7 V U0 TL07 Vref R.V C8 0k 0u ReferinŃa de tensiune Se utilizează referinńa de tensiune D tip ROZ8, alimentată din V prin rezistorul R (k), eventualii parazińi existenńi în sursa de alimentare fiind filtrańi cu condensatorul C7 (0µF). Tensiunea de referinńă este buferată cu amplificatorul operańional U0 (TL08), pentru ca variańiile curentului de sarcină din V ref să nu influenńeze valoarea tensiunii la bornele ROZ8. Tensiunea V ref este utilizată şi în placa analogică pentru reglarea offsetului, necesar pentru translatarea valorilor negative de la ieşirea senzorilor în domeniul pozitiv (pentru TC), sau translatarea valorii tensiunii pozitive, corespunzătoare temperaturii minim măsurabile, în zero (pentru TR), având valoarea de V. Din V ref se divizează (şi reglează) valoarea tensiunii de referinńă, necesară ADC, cu potenńiometrul semireglabil R (0k), pe cursorul căruia este plasat C8 (0µF) pentru filtrare suplimentară, nivelul maxim de ondulańie al tensiunii trebuind să fie mai mic de.mv (/ LSB). Pentru ca rezoluńia de afişare a valorilor măsurate să fie maximă, este necesar ca mărimile electrice de pe bornele de măsură ale senzorilor să fie transformate şi translatate în /8

De asemeni, este necesară translatarea tensiunii corespunzătoare a valorii minim măsurabile în 0V. Aceste deziderate sunt realizate de interfańa analogică.

5 TraianTiti Şerban tensiune, în domeniul 0....V, în tot domeniul de măsură impus senzorilor. Deoarece semnalul debitat de senzori este mai mic decât tensiunea de referinńă, se impune amplificarea globală a acestora. De asemeni, este necesară translatarea tensiunii corespunzătoare a valorii minim măsurabile în 0V. Aceste deziderate sunt realizate de interfańa analogică. Realizarea practică InterfaŃa analogică Schema bloc conńine module adaptoare pentru senzorii termici utilizańi, care au rolul de amplificare a semnalului electric furnizat de aceştia şi de translatare a tensiunilor de ieşire în domeniul 0...,V. Fiind utilizate câte senzori, de tipuri diferite, interfańa analogică conńine adaptoare, câte două identice pentru fiecare tip de senzor. /8

6 TraianTiti Şerban Pentru senzorul cu semiconductori, de tip LM, nu este necesară decât amplificarea tensiunii de la ieşirea acestora de ori, pentru a translata domeniul de măsură ,ºC în domeniul 0...,V. Pentru senzorul cu termocuplu, pe lângă amplificare este necesară translatarea valorilor negative de tensiune, furnizate de acesta la măsurarea temperaturilor negative, în domeniul pozitiv, astfel încât valorii maxime negative, corespunzătoare valorii minime de temperatură a domeniului de măsură, la ieşirea adaptorului tensiunea de ieşire să aibă valoarea 0V. Pentru senzorul cu termorezistenńă, este necesară transformarea rezistenńei în tensiune, lucru care se realizează cu o sursă de curent constant. Pentru ca puterea disipată pe termorezistenńă să nu influenńeze temperatura măsurată, trebuie ca valoarea curentului debitat de sursa de curent constant să fie mai mică de ma. Sa ales valoarea de ma. Translatarea tensiunii de ieşire se face către zero, având în vedere faptul că pe senzor apare o tensiune mai mare de zero pentru valoarea minimă a domeniului de măsură. Pe lângă aceste adaptoare, interfańa analogică conńine o sursă dublă de curent (pentru senzorii termorezistivi), o sursă de referinńă în tensiune (pentru reglarea offsetului senzorilor termorezistivi şi cu termocuplu), precum şi tensiunea de referinńă de,v pentru ADC. Schemele detaliate ale adaptoarelor pentru senzorii utilizańi sunt prezentate mai jos. J TR_ Ie R7 0k R 00k R 00k R8 0k V V R0 7k U R 00k TL07 V Vref 7 R9 0k R 00k R k V R 70k 7 Au = 7.7 U 0 TL07 R7 k Adaptor pentru termorezistenńă J V V LM_ R k R7 7k V 7 U8 0 TL07 R8 0k R 00k Adaptor pentru senzorul semiconductor /8

7 TraianTiti Şerban R9 V R8 R7 k k k R7 k Q R7 00R R7 k Q R70 00R Q N907 Ie N907 Ie Q N N907 U TL07 R V V 7 Vref R 00k k Sursa de curent constant R 0k C 00n V UA TL07 R 0k Au = 0.8 R 00k V R 0k C V 0u R 7k J TC_ R k R R7 0k C 0k 00n V V V R k TL07 9 TL07 R9 00k Out TC_ 8 0 UD UC R k V Au =. V R0 R TL07 Vref 7 00k 00k R UB R7 0k U R8 00k 0k V R k Vc Out Gnd 00mV LM Adaptor pentru termocuplu 7/8

8 TraianTiti Şerban 8/8

Metrici LPR interfatare cu Barix Barionet 50 -

Metrici LPR interfatare cu Barix Barionet 50 - Barionet 50 este un lan controller produs de Barix, care poate fi folosit in combinatie cu Metrici LPR, pentru a deschide bariera atunci cand un numar de