Ввод аналоговой измерительной информации в устройства цифровой вычислительной техники.

ЛЕКЦИЯ № 6

Дисциплина:
«МЕТОДЫ И СРЕДСТВА ИЗМЕРЕНИЙ И КОНТРОЛЯ»

Тема:

«Применение вычислительной техники

в средствах измерений и контроля».

Общие понятия. Ввод аналоговой измерительной информации в устройства цифровой вычислительной техники. Приборный интерфейс.

Применение средств цифровой вычислительной техники в измерительных приборах, установках и системах.

Год

Общие понятия. Ввод аналоговой измерительной информации в устройства цифровой вычислительной техники. Приборный интерфейс.

Ввод аналоговой измерительной информации в устройства цифровой вычислительной техники.

При автоматизации производства и технологических процессов очевидны преимущества обработки информации с использованием цифровых методов. Однако данные, которые мы получаем из реального мира, обычно представлены в аналоговой форме. Необходимый аналого-цифровой интерфейс обеспечивает системы сбора данных или интерфейсные модули. Они преобразуют исходные данные от одного или нескольких измерительных датчиков в выходной сигнал, пригодный для хранения в компьютере и цифровой обработки.

Главным элементом устройства ввода аналоговой информации в ЭВМ является аналого-цифровой преобразователь (АЦП), выполняющий операции преобразования непрерывного сигнала в цифровой код.

АЦП являются устройствами, которые принимают входные аналоговые сигналы и генерируют соответствующие им цифровые сигналы, пригодные для обработки микропроцессорами и другими цифровыми устройствами. Процедура аналого-цифрового преобразования непрерывных сигналов представляет собой преобразование непрерывной функции времени, описывающий исходный сигнал, в последовательность чисел, отнесенных к некоторым фиксированным моментам времени. Эту процедуру можно разделить на две самостоятельные операции. Первая из них называется дискретизацией и состоит в преобразовании непрерывной функции времени в непрерывную последовательность. Вторая называется квантованием и состоит в преобразовании непрерывной последовательности в дискретную.

Важную часть аналого-цифрового преобразователя составляет цифровой
интерфейс, т.е. схемы, обеспечивающие связь АЦП с приемниками цифровых сигналов. Структура цифрового интерфейса определяет способ подключения АЦП к приемнику выходного кода, например, микропроцессору, микроконтроллеру или цифровому процессору сигналов. Свойства цифрового интерфейса непосредственно влияют науровень верхней границы частоты преобразования АЦП.

Наиболее часто применяют способ связи АЦП с процессором, при котором АЦП является для процессора как бы одной из ячеек памяти. При этом АЦП имеет
необходимое число адресных входов, дешифратор адреса и подключается
непосредственно к адресной шине и шине данных процессора. Для этого он обязательно должен иметь выходные каскады с тремя состояниями.

Другое требование совместной работы АЦП с микропроцессорами, называемое
программным сопряжением, является общим для любых систем, в которые входят ЭВМ и АЦП. Имеется несколько способов программного сопряжения АЦП с процессорами. Рассмотрим основные.

Проверка сигнала преобразования.Этот способ состоит в том, что команда
начала преобразования "Пуск" периодически подается на АЦП от таймера. Процессор находится в цикле ожидания от АЦП сигнала окончания преобразования "Готов", после которого выходит из цикла, считывает данные с АЦП и в соответствии с ними приступает либо к следующему преобразованию, либо к выполнению основной программы, а затем вновь входит в цикл ожидания. Здесь АЦП выступает в роли ведущего устройства (master), а процессор - ведомого (slave). Этот способ почти не требует дополнительной аппаратуры, но пригоден только в системах, где процессор не слишком загружен, Т.е. длительность обработки данных от АЦП меньше времени преобразования АЦП. Указанный способ позволяет максимально использовать производительность АЦП.

Если длительность обработки данных от АЦП составляет заметно больше
времени преобразования АЦП, можно использовать вариант этого способа,
отличающийся тем, что сигнал "Пуск" поступает от процессора. Процессор выполняет основную программу обработки данных, а затем считывает данные с АЦП и вновь запускает его. В этом случае процессор выступает в роли ведущего устройства, а АЦП-ведомого.

Простое прерывание.Выдав команду "Пуск", процессор продолжает работу по
основной программе. После окончания преобразования формируется сигнал
прерывания, который прерывает в процессоре вычисления и включает процедуру
поиска периферийного прибора, пославшего сигнал прерывания. Эта процедура состоит в переборе всех периферийных устройств до тех пор, пока не будет найден нужный. Преимущество этого способа по сравнению с предыдущим проявляется в большем числе преобразований за одно и то же время, если используемыйАЦП работает медленно. Если же АЦП быстродействующий, то этот способ работы может оказаться даже медленнее предыдущего, так как на обработку прерывания требуется значительное время.

Векторное прерывание.Этот способ отличается от предыдущего тем, что вместе с сигналом прерывания посылается и адрес программы обращения кданному АЦП. Следовательно, не нужно перебирать все периферийные приборы.

Прямой доступ к памяти.Здесь также используется прерывание, но в отличие от предыдущих двух способов, управление по системе прерывания передается на специальный интерфейс, который и производит перезапись данных преобразования в память, минуя регистры процессора. Это позволяет сократить длительность прерывания до одного такта. Номера ячеек памяти хранятся в адресном регистре интерфейса. Для этой цели выпускаются ИМСконтроллеров прямого доступа к памяти.

В зависимости от способа пересылки выходного слова из АЦП в цифровой приемник различают преобразователи с последовательным и параллельным интерфейсами выходных данных. Последовательный интерфейс медленнее параллельного, однако он позволяет осуществить связь с цифровым приемником значительно меньшим количеством линий и в несколько раз сократить число выводов ИМС.Поэтому обычно параллельный интерфейс используется в параллельныхи последовательно-параллельных АЦП, а последовательный - в интегрирующих. В АЦП последовательногоприближения применяются как параллельный, так и последовательный интерфейсы. Некоторые АЦП
последовательного приближения имеют интерфейс обоих типов.

АЦП с параллельным интерфейсом выходных данных. В простейших случаях, характерных для параллельных АЦП и преобразователей ранних моделей, интерфейс осуществляется с помощью N-разрядного регистра хранения, имеющего три состояния выхода. На нарастающем фронте сигнала "Пуск" устройство выборки и хранения преобразователя переходит в режим хранения и инициируется процесс преобразования. Когда преобразование завершено, на выходную линию "Готов" выводится импульс, что указывает на то, что в выходном регистре АЦП находится новый результат. Сигналы "CS" (выбор кристалла) и "RD" (Чтение) управляют выводом данных для передачи приемнику.

Для того,чтобы упростить связь многоразрядного (N>8) АЦП с 8-разрядным
микропроцессором или микроконтроллером в некоторых микросхемах реализована побайтовая выдача выходного слова. Если сигнал НВЕN
(разрешение старшего байта) управляющий режимом вывода, имеет низкий уровень, то старшие биты выходного слова поступают на соответствующие им выводы (для 12-разрядного АЦП биты D08 ...D011).В противном случае выдаются биты
соответствующие младшему байту (для 12-разрядного АЦП биты DOO ...D07).

АЦП с последовательным интерфейсом выходных данных. В АЦП
последовательного приближения, оснащенныхпростейшей цифровой частью, таких как 12-битный МАХ176 или 14-битный МАХ121 выходная величина может быть считана в виде последовательного кода прямо с компаратора или регистра последовательного приближения (РПП). Процессор является ведущим (master). Он инициирует начало процесса преобразования подачей среза на вход "Пуск" АЦП.
С тактового выхода процессора на синхровход АЦП поступает последовательность тактовых импульсов. Начиная со второго такта после пуска на выходе данных АЦП формируется последовательный код выходного слова старшими битами вперед. Этот сигнал поступает на МISO (master- input, slave - output) вход процессора.

Простейший интерфейс обеспечивает наименьшее время цикла "преобразование - передача данных". Однако он обладает двумя существенными недостатками. Во-первых, переключение выходных каскадов АЦП во время преобразования привносит импульсную помеху в аналоговую часть преобразователя, что вызывает уменьшение соотношение сигнал/шум (например, для АЦП AD7893 среднеквадратическое значениешума при передаче данных во время преобразования почти в три раза больше, чем при считывании данных после преобразования). Во-вторых, если АЦП имеет большое время преобразования, то процессор будет занят приемом информации от него существенную часть вычислительного цикла.

По этим причинам современные модели АЦП с последовательной передачей
выходных данных оснащаются выходным сдвиговым регистром, в который загружается результат преобразования из регистра последовательного приближения. По заднему фронту сигнала "Пуск" УВХ переходит в режим хранения и начинается преобразование. При этом на соответствующем выводе АЦП выставляется сигнал "Занят". По окончании преобразования начинается передача данных. Процессор подает на синхровходАЦП последовательность синхроимпульсов CLK. Если 8<N 16, то число синхроимпульсов обычно составляет 16. При N<16 вначале вместо отсутствующих старших битов передаются нули, а затем выходное слово старшими битами вперед. До и после передачи данных выходная линия AЦП находится в высокоимпедансном состоянии.

Увеличение длительности цикла "преобразование - передача данных" по
сравнению с простейшим интерфейсом обычно несущественно, так как
синхроимпульсы могут иметь большую частоту. Например, для 12-разрядного АЦП
последовательного приближения AD7896 минимальный интервал между отсчетами
составляет 10мкс. Из них последовательное чтение данных занимает только 1,6 мкс при частоте синхросигнала 10МГц.

Приборный интерфейс.

Современный измерительный прибор представляет собой сложное микроэлектронное устройство, выполняющее большое количество разнообразных задач, направленных на получение информации, ее обработки и представления в заданном виде. Решение этих задач невозможно без применения современной элементной базы, все более широкого применения вычислительных средств и устройств автоматизации выполнения измерительных операций, а также средств доставки информации к потребителю. Технический прогресс приводит к неуклонному росту объемов передаваемой информации. Задачу обеспечения согласованной работы всех элементов прибора, а также групп приборов, невозможно решить без использования интерфейсов.

В словаре понятие интерфейс (interface) определено как граница раздела двух
систем, устройств или программ; элементы соединения и вспомогательные схемы
управления, используемые для соединения устройств.

По способу передачи информации интерфейсыподразделяются на
параллельные и последовательные.В параллельном интерфейсе все биты передаваемого слова (обычно байта) выставляются и передаются по соответствующим параллельно идущим проводам одновременно. В последовательном интерфейсе биты передаются друг за другом, обычно по одной линии.

При рассмотрении интерфейсов важным параметром является пропускная
способность. Вполне очевидно, что при одинаковых быстродействии
приемопередающих цепей и пропускной способности соединительных линий по
скорости передачи параллельный интерфейс должен превосходить последовательный. Однако повышение производительности за счет увеличения тактовой частоты передачи данных упирается в волновые свойства соединительных кабелей. В случае параллельного интерфейса начинают сказываться задержки сигналов при их прохождении по линиям кабеля, и, что самое неприятное, задержки в разных линиях интерфейса могут быть различными вследствие не идентичности проводов и контактов разъемов.

В последовательных интерфейсах, конечно же, есть свои проблемы повышения
производительности, но, поскольку в них используется меньшее число линий (в пределе - одна), повышение пропускной способности линий связи обходится дешевле.

Для интерфейса, соединяющего два устройства, различают три возможных
режима обмена - дуплексный, полудуплексный и симплексный.Дуплексный режим позволяет по одному каналу связи одновременно передавать информацию в обоих направлениях. Полудуплексный режим позволяет передавать информацию "туда" и "обратно" поочередно, при этом интерфейс имеет средства переключения направления канала. Симплексный (односторонний) режим предусматривает только одно направление передачи информации.

Другим немало важным параметром интерфейса является допустимое удаление
соединяемых устройств. Оно ограничивается как частотными свойствами кабелей, так и помехозащищенностью интерфейсов. Часть помех возникает от соседних линий
интерфейса - это перекрестные помехи, защитой от которых может быть применение
витых пар проводов для каждой линии. Другая часть помех вызывается искажением
уровней сигналов.

Интерес представляют как внутренние интерфейсы,необходимые для быстрой связи между элементами прибора на коротких расстояниях, так и внешние
интерфейсы,обеспечивающие связь нескольких приборов между
собой и вычислительными средствами.

С целью унификации подключения (состыковки) существующих, а также вновь создаваемых устройств разработан ряд стандартных интерфейсов и протоколов обмена данными.

Под стандартным интерфейсомпонимается совокупность унифицированных
аппаратурных, программных и конструктивных средств, необходимых для организации взаимодействия различных функциональных элементов в системах обработки и передачи данных. Основной целью стандартизации интерфейсовявляется обеспечение информационной совместимости подключаемых устройств.

В рамках информационной совместимостиопределяется функциональная и
структурная организация интерфейса:

-согласованность взаимодействия функциональных элементов в соответствии со структурой и составом унифицированного набора шин;

- процедуры взаимодействия и последовательности их выполнения для различных режимов взаимодействия устройств;

- способ кодирования, форматы данных и управляющей информации;

- временные соотношения между управляющими сигналами.

Электрическая совместимостьпредполагает согласованность статических и
динамических параметров электрических сигналов.

Конструктивная совместимостьпредусматривает согласование конструктивных элементов интерфейса, предназначенных для обеспечения механического контакта электрических соединений и возможности замены схемных элементов и устройств.

Под протоколом понимаетсястрого заданная процедура или совокупность
правил, регламентирующая способ выполнения определенных функций, например,
управления передачей данных между элементами сети.

В общем случае, для передачи электрических сигналов необходимо два
провода,один из них считается информационным, а другой нулевым. При
использовании одного нулевого провода на несколько информационных интерфейс
называется несимметричным.В случае симметричногоинтерфейса каждому
информационному проводу соответствует свой нулевой провод.

Несимметричные интерфейсы позволяют экономить определенное количество
цепей связи, однако за счет взаимного влияния цепей обладают меньшей
помехоустойчивостью, что влияет на длину линии связи и скорость передачи данных.