Измерительные приборы со встроенными микропроцессорами

Скачать DjVu (2,98 МБ)

Описание

Рассмотрены одно- и многопроцессорные типовые структуры измерительных приборов. Проведен анализ функций микропроцессоров (МП) в приборах, выделен набор обобщенных функций и дано его программное обеспечение. Описан виутриприборный и межприборный интерфейс. Приведены конкретные разработки отечественных и зарубежных измерительных приборов с МП.

Для инженерно-технических работников в области измерительной и вычислительной техники.

ПРЕДИСЛОВИЕ

В общем потоке публикаций, посвященных созданию и применению микропроцессорных средств, значительное место занимают вопросы применения микропроцессоров в измерительной технике. Использование ЭВМ в измерительной технике началось задолго до появления микропроцессоров; на первых этапах главным направлением было создание специализированных информационно-измерительных систем с применением центральной ЭВМ; на этапе внедрения микропроцессоров основным направлением стало создание автономных измерительных приборов со встроенными микро-ЭВМ и децентрализованных информационно-измерительных систем с местной обработкой данных автономным микроконтроллером или микроЭВМ.

В разработке этих вопросов принимают активное участие специалисты по цифровой измерительной и вычислительной технике; имеется большое число публикаций как зарубежных (Э.Клингман, Б. Соучек, Дж. Коффрон и др.), так и отечественных (И. В. Прангишвили, В. Ю. Кнеллер, В. Н. Малиновский и др.) ученых. В имеющихся публикациях в основном рассмотрены общие вопросы разработки микропроцессорных систем и их применения; в настоящей книге рассматриваются главным образом вопросы применения микропроцессоров в измерительной технике и в меньшей степени — вопросы создания самих микропроцессорных аппаратно-программных средств. В основу изложения положен функционально-целевой принцип проектирования структуры прибора.

В гл. 1 рассмотрены основные аппаратные структуры микропроцессорных систем, применяемых в измерительной технике, и дан обзор специфических особенностей измерительных схем приборов со встроенными микропроцессорами. В гл. 2 описан функциональный подход к проектированию измерительного прибора с микропроцессором и дан обзор типовых функций, выполняемых микропроцессорами в приборе. В гл. 3 рассмотрена структура программного обеспечения измерительного прибора, описаны ее основные блоки, а также дан обзор методов и средств разработки программного обеспечения для микропроцессорных систем. В гл. 4 рассмотрены внутриприборные и межприборные интерфейсы микропроцессорных систем, даются примеры программной и аппаратной реализации интерфейсов. В гл. 5 приведены примеры конкретной реализации измерительных приборов со встроенными микропроцессорами. Этот материал не претендует на полноту охвата всех типов измерительных приборов; описаны лишь основные направления развития приборов, измеряющих электрические величины, и ряд направлений развития приборов, измеряющих яеэлектрические величины, в разработке которых авторы принимали непосредственное участие.

Описание принципов построения и функционирования микропроцессоров и микроЭВМ в книге не приводится; по этим вопросам имеется обширная литература учебного и справочного характера. Предполагается, что читатель знаком с основными понятиями микропроцессорной техники.

Книга рассчитана на специалистов в области цифровой измерительной и вычислительной техники, а также студентов соответствующих специальностей.

Авторы.

ВВЕДЕНИЕ

Микропроцессорная техника получает все большее применение в приборостроении. Применение микропроцессоров (МП) преобразует измерительные приборы в «интеллектуальные» устройства, способные производить необходимую математическую обработку измерительной информации и представлять ее в наиболее удобном для восприятия виде.

В случаях, когда измерительные приборы выполняются в виде отдельных устройств, не связанных с информационно-измерительной системой, микропроцессоры обеспечивают весь необходимый комплекс обработки информации. В случаях, когда прибор входит в качестве звена в информационно-измерительную систему, микропроцессор производит либо полную обработку информации, либо предварительную обработку данных, оставляя задачи полной обработки информации за вычислительной частью информационно-измерительной системы.

Кроме задач математической обработки измерительных параметров микропроцессор выполняет функции управляющего устройства, обеспечивающего .подключение необходимых элементов приборов, прием командных сигналов, передачу выходных данных и др.

В зависимости от типов измерительного прибора и примененного микропроцессора возможна различная структура «интеллектуального» прибора. Возможно применение в приборе нескольких микропроцессоров, один из которых выполняет функции управления, в то время как другие выполняют задачи обработки информации.

Микропроцессоры получают значительное применение во всех основных направлениях развития информационно-измерительной техники.

В приборах для измерения электрических и неэлектрических величин микропроцессоры выполняют следующие основные функции:

1) автоматическую установку пределов измерения, корректировку аддитивных и мультипликативных погрешностей;
2) автоматическое управление процессом уравновешивания в приборах сравнения постоянного и переменного токов;

3) первичную обработку данных — определение отклонений от номинальных значений, определение моментов приближения к граничным условиям, вычисление отношений максимума-минимума, именованных значений отсчетов, умножение и деление на константы;

4) статистическую обработку данных: определение средних значений контролируемых величин за определенные интервалы времени, вычисление вариаций, дисперсий, средних квадратических значений и др.;

5) обработку данных по упрощенным алгоритмам: определение контролируемых параметров по измеренным значениям и известным зависимостям—определение расхода с вычислением по формулам, определение температур с учетом нелинейности характеристик термоэлементов и температуры окружающей среды, сглаживание полученных значений и др.;

6) обработку данных по алгоритмам, реализующим метод измерения: определение скоростей движения и значений расхода на основе корреляционных методов, определение параметров объекта на основе спектрального анализа сигналов и др.;

7) регистрацию данных в буферных (транзитных) регистраторах: управление частотой отсчетов, рациональное использование буферной памяти, подготовку данных к передаче в блоки основной регистрации;

8) визуализацию и регистрацию данных на осциллографах и дисплеях: управление процессом визуализации, организацию памяти, формирование знаков, управление цветом, формирование маркерных меток и др.;

9) диагностику функциональных узлов приборов: определение перед началом измерения исправности основных узлов сложных приборов, организацию тестов контроля и индикацию неисправностей;

10) управление работой узлов, выполняющих отдельные функции измерительного преобразования, в частности работой аналого-цифрового преобразователя и др.;

11) полное управление процессом измерения по заданной программе, включая управление внешними блоками, дополнительными устройствами (в том числе переключателями, вентилями, микродвигателями), для приборов, измеряющих неэлектрические величины.
Указанные выше области применения микропроцессоров в измерительных приборах относятся, как указывалось ранее, к отдельным приборам, не входящим в систему. В приборах, входящих в измерительную систему, микропроцессоры используются также для связи приборов в единый комплекс, кодирования и декодирования данных, передаваемых по каналам связи, повышения надежности системы путем защиты данных от искажений, сжатия данных и других задач, характерных для информационно-измерительных систем.

Приведенный выше перечень функций микропроцессоров в измерительных приборах определяет и основные типы приборов со встроенными микропроцессорами. Наиболее широко используются следующие типы средств измерений:

1) многопредельные вольтамперомметры, вольтметры с микропроцессорным управлением процессом измерения, автоматической коррекцией погрешностей и программной обработкой результатов измерений;

2) мосты и компенсаторы переменного тока с автоматизацией процесса уравновешивания, автоматическим выбором пределов измерения комплексных величин, вычислением выходных данных по различным схемам замещения;

3) регистрирующие приборы с аналого-цифровым преобразованием и хранением данных в буферной памяти, с управлением процессом визуализации данных;

4) преобразователи (датчики) неэлектрических величин с устройствами коррекции погрешностей, преобразованием вида сигналов и др.;

5) приборы для измерений неэлектрических величин с обработкой данных по определенным алгоритмам (корреляционные расходомеры и др.);

6) приборы для измерения неэлектрических величин, включающие в себя комплекс вспомогательных элементов и устройств (хроматографы, весоизмерительные приборы и др.).

В настоящей книге приведены материалы исследований авторов по ряду из перечисленных направлений на кафедре электроники и информационно-измерительной техники Московского института нефтехимической и газовой промышленности и в отделе применения микропроцессоров Всесоюзного научно-исследовательского института медицинского приборостроения, а также сведения обзорного характера из отечественной и зарубежной периодической литературы.