Выбор  преобразователя интерфейса

    В настоящее время существует большое число микросхем-преобразователей для интерфейса RS-485, главным образом они отличаются уровнем питания (3.3 В или 5 В), максимальным числом узлов в сети (32-256), наличием гальванической развязки, и типом интерфейса - полудуплексным или дуплексным. Кроме того, отличия могут быть в типе исполнения - коммерческое или промышленное. Согласно техническому заданию в данном устройстве нужно использовать промышленное исполнение микросхемы, так как хотя температура работы не превысит 50 градусов Цельсия - нижняя граница температуры находится за пределами коммерческого исполнения.

    Датчики подобного типа применяются на трансформаторах с принудительной системой подачи масла, при этом на один трансформатор хватает 1-2 датчиков, следовательно количество узлов в сети будет ограничено, и даже с учетом возможных дополнительных интеллектуальных датчиков других величин число узлов не превысит 32.

    Наличие гальвано-развязки в данном случае не является требованием, так как применяется гальваническая развязка в аналоговой части.

    Следовательно, можно выбрать преобразователь интерфейса из линейки фирмы AnalogDevicesADM3485.

Оценка вычислительной сложности и параметров быстродействия

При использовании аналитического метода оценки вычислительной сложности не требуется составлять машинные программы. Идея его заключается в том, что объем вычислительной сложности, определяется путем подсчета количества машинных операций по структурной схеме программы, построенной для микропроцессорного алгоритма. Структурная схема представляет собой граф, вершины которого представляют собой команды, отражающие детальное описание вершин алгоритма, а дуги определяют логическую последовательность выполнения команд. При этом вершина может отображать как одну команду, так и группу однотипных команд.

Оценка требуемого быстродействия микроконтроллера производится путем выделения наиболее критичной ко времени выполнения ветви алгоритма, с последующей ее детализацией на элементарные команды и группы команд. Для оценки производительности необходимо определить какое количество элементарных операций должно выполнятся за заданный промежуток времени.

Изначально в устройстве предполагается выполнение цифровой фильтрации получаемых данных Для оценки воспользуемся аналитическим методом. При использовании этого метода не требуется составлять машинные программы. Идея его заключается в том, что объем вычислительной сложности, определяется путем подсчета количества машинных операций в самых трудоемких алгоритмах программы.

Для оценки берем самый трудоемкий алгоритм - цифровой фильтрации. Он содержит следующие операции:

 4 сложения;

 2 умножения.

Так как помимо самой фильтрации потребуется еще и выполнение команд перехода, инкрементации и накопления данных, то к этим 6 операциям можно прибавить еще около 8 операций на каждом шаге. Тогда если имеется массив размером 512 отсчетов, цифровой фильтр на каждом шаге будет производить данные операции, тогда массив будет полностью обработан за 7168 операций. Так как частота оцифровки данных равна 240 выборок в секунду, то массив из 512 отсчетов заполнится за 2.1 с, после этого он переходит в пассивное состояние и может быть обработан, в то же время происходит заполнение второго массива. Следовательно, требуется произвести все операции за время, отведенное на заполнение массива. На сегодняшний день любой контроллер способен выполнить такое количество операций за столь большой отрезок времени. Однако, не следует забывать о том, что 7168 операций это фильтрация 1-го порядка, что используется крайне редко, чаще всего применяют 6-й или 8-й порядок фильтра, кроме того обычно требуется выделение полосы сигнала, следовательно количество фильтров удваивается. Также, если, например, мы имеем дело с 16-ти разрядными операндами, то операции при фильтрации будут минимум 32-х разрядными, а чаще всего применяются 64-разрядные аккумуляторы. Следовательно, число операций для 8-ми и 16-ти разрядных контроллеров будет значительно выше, чем для 32-разрядных. Таким образом, получим 114 688 операций для 32-разрядных контроллеров, и 458 752 и 229 376 для 8-ми и 16-ти разрядных контроллеров, соответственно.

Помимо цифровой фильтрации, микроконтроллер будет решать задачи обмена данными, переключения контекста задач, и т.п. Следовательно, микроконтроллер необходимо выбирать с хорошим запасом по производительности, чтобы в случае введения дополнительных функций не пришлось перерабатывать устройство на аппаратном уровне.

Выбор микроконтроллера

Основные требования к аппаратной платформе сформированы, теперь необходимо выбрать микроконтроллер, который им удовлетворяет. Для этого составим таблицу с основными характеристиками для нескольких микроконтроллеров.

Выбор требуемого микроконтроллера производится в результате сопоставления требуемых характеристик с характеристиками известных микроконтроллеров.

Таблица 4.1.                                Таблица требований к микроконтроллеру

Как видно из таблицы 4.1, для решения данной задачи подходит любой из представленных контроллеров, однако здесь необходимо действовать по принципу запаса производительности. Так, например, использовать 8-ми разрядные микроконтроллеры не целесообразно - в случае появления дополнительного математического функционала в ПО производительность контроллера может существенно повлиять на скорость вычислений. Можно использовать MSP430F1610 или STM32F103RET6, контроллеры практически равны по стоимости, однако последний более производительный и более удобен для написания ПО (имеется наличие библиотеки периферии), кроме того семейство MSP430 больше подходит для систем с батарейным питанием, в данном случае это не актуально. Следовательно, в качестве вычислительного ядра выбираем STM32F103RET6.