Файл: Микропроцессоры в измерительной технике.docx

2 ФУНКЦИИ, ВЫПОЛНЯЕМЫЕ МИКРОПРОЦЕССОРАМИ В ПРИБОРАХ

В общем плане ответом могут служить заголовки ряда журнальных статей и информационных материалов: «Микропроцессор совершает революцию в электронном приборостроении». И это действительно так. Но даже если умерить патетические интонации и перейти к обычному техническому языку, то следует сказать, что применение микропроцессоров в измерительной технике позволяет резко повысить точность приборов, значительно расширить их возможности, повысить надежность, быстродействие, решить задачи, которые ранее вообще не решались.

Конкретное рассмотрение функций микропроцессорных систем в измерительных приборах показывает, что с помощью этих систем достигаются многофункциональность приборов, упрощение управления процессом измерения, автоматизация регулировок, са-мокалибровка и автоматическая поверка, улучшение метрологических характеристик прибора, выполнение вычислительных процедур, статистическая обработка результатов наблюдений, определение и перевод в линейную форму функции измеряемой физической величины, создание программируемых, полностью автоматизированных приборов. Появился новый класс «интеллектуальных> приборов, называемых также «думающими» или «разумными».

Радикально изменилась идеология построения приборов. Микропроцессор стал основной частью собственно прибора, что привело к изменению конструкции и схемных решений, компоновки, управления, включению обработки данных в измерительную процедуру (выполняемую без участия экспериментатора). Внедрение микропроцессоров открыло возможность построения многофункциональных приборов с гибкими программами работы, сделало приборы более экономичными, облегчило решение задачи выхода на стандартную интерфейсную шину [канал общего пользования (КОП)] и управления интерфейсом. Все это упростило эксплуатацию приборов, резко повысило производительность труда их пользователей.

Рассмотрим более подробно основные возможности, особенностиг приборов, содержащих микропроцессорные системы, и выясним, в результате чего достигаются эти возможности.

Многофункциональность. Идея построения многофункциональных измерительных приборов, предназначенных для измерения нескольких параметров сигналов или характеристик объекта исследования, не нова. Она осуществляется уже более двух десятилетий. Но до применения микропроцессоров многофункциональные приборы представляли собой совокупность нескольких функциональных узлов, объединенных в одно конструктивное целое. При эксплуатации таких приборов переход от одной функции к другой производится с помощью коммутирующих устройств. В результате коммутации соединительных цепей пользователь составляет, «собирает» из отдельных узлов определенный прибор для измерения конкретного параметра сигнала или характеристики испытуемого-объекта. Алгоритм работы средства измерений, заложенный мри его разработке, в процессе эксплуатации сохраняется неизменным. Иначе говоря традиционные многофункциональные приборы выполнены по схеме с жесткой логикой. Для нее характерно противоречие между многофункциональностью, числом возможных функций прибора, с одной стороны, и экономической, а также технической эффективностью — с другой. Проблема коммутации и. управления никогда не теряла остроты при конструировании приборов, предназначенных для выполнения ряда функций, и далеко не всегда решалась успешно.

---

Микропроцессорная система, введенная в состав многофункционального средства измерения, радикально изменила его, преобразовала устройство с жесткой логикой работы в программно-управляемое устройство. Функциональные возможности такого устройства определяются выполняемой программой, и могут быть, легко видоизменены путем перехода к другой программе, хранимой-в ПЗУ. Поэтому программируемую логику работы подобных приборов иногда называют «хранимой». Она создает гибкость перестройки, позволяет наращивать функции при модернизации прибора без существенных изменений в его схеме. Применение программируемой логики, как правило, уменьшает стоимость прибора.

Погрешности средства измерений относятся к его метрологическим характеристикам. Поскольку вопросы улучшения метрологических характеристик, достигаемого в результате введения микропроцессорной системы в состав прибора, освещены в отдельном параграфе 2.2, то здесь лишь кратко перечислим пути повышения точности измерительного прибора. Они заключаются в автоматической компенсации (исключении) систематической погрешности, в частности автоматической установке нуля перед началом измерений, автоматическом выполнении градуировочной операции (самокалибровка), выполнении самоконтроля, уменьшении влияния случайных погрешностей путем проведения многократных наблюдений (единичных измерений) с последующим усреднением их результатов, выявлении и исключении грубых погрешностей, выведении на дисплей информации о числовых значениях погрешностей по ходу измерений.

Расширение измерительных возможностей приборов. Применение микропроцессоров позволяет существенно расширить возможности измерений широкого перечня параметров сигналов и характеристик устройств. Это связано прежде всего с использованием, казалось бы устаревших, видов измерений: косвенных и совокупных.

Из-за необходимости применения нескольких приборов, снятия ряда отсчетов и последующих вычислений косвенные измерения воспринимаются многими экспериментаторами как примитивные, несовременные. Даже при использовании микрокалькуляторов вычисления в некоторых случаях могут занимать значительное время, и, главное, они, требуя постоянного внимания и работы экспериментатора, не позволяют достичь высокой производительности.

Кроме того, не очень проста процедура оценки погрешностей косвенных измерений, а без этого никакое измерение не может быть признано достоверным.

---

3 ПРИМЕНЕНИЕ МИКРОПРОЦЕССОРОВ В ИЗМЕРИТЕЛЬНЫХ ПРИБОРАХ

Применение микропроцессоров и микро-ЭВМ в измерительных приборах явилось одним из важнейших этапов в развитии приборостроения.

Следует отметить, что микропроцессоры не являются измерительными устройствами. Они предназначены для выполнения вычислительных и логических операций с высокой скоростью и точностью. Совместная их работа с аналого-цифровыми и цифро-аналоговыми преобразователями в измерительной технике позволила резко повысить точность, надёжность и быстродействие приборов, расширить их возможности, создавать программируемые, полностью автоматизированные устройства.

Применение микропроцессоров позволило прежде всего улучшить метрологические характеристики — точность, чувствительность, помехоустойчивость. Повышение точности было достигнуто за счет введения калибровочных операций, позволяющих минимизировать как аддитивную, так и мультипликативную погрешность. Для исключения аддитивной составляющей погрешности АЦП его входные зажимы замыкаются накоротко и заземляются. При этом число, полученное на выходе АЦП, характеризующее смещение, запоминается. При измерении оно вноситься в результат как поправка.

Для исключения мультипликативной составляющей погрешности перед циклом измерения на вход АЦП подаётся воспроизводимая мерой величина А0. На выходе при номинальном значении чувствительности должно быть число В. Такое же число хранится в памяти микропроцессорной системы. При изменении чувствительности преобразователя на выходе АЦП получим число . Отношение В/В/, вычисляемое микропроцессором, вводиться как поправочный множитель.

Повышение пороговой чувствительности и помехоустойчивости приборов достигается обработкой сигнала по алгоритмам, приведённым в первой главе, или по другим алгоритмам, включающим операции вычисления оценки среднеквадратического отклонения результата измерения, решения вопроса, выполняется ли гипотеза о нормальном распределении вероятностей случайных погрешностей, а также операции вычисления доверительных границ случайных погрешностей.

Цифровая фильтрация сигналов позволяет повысить чувствительность и расширить диапазон измеряемых величин в сторону малых значений.

Рассмотренные приёмы позволяют полнее использовать метрологические свойства мер и приблизить погрешности измерительных приборов к погрешностям применяемых в них образцовых мер.

Важным направлением применения микропроцессоров в измерительной технике является возможность получения различных математических функций измеренных значений и решения систем уравнений, что позволяет сравнительно просто перейти от косвенных, совокупных или совместных измерений к прямым. Причём микропроцессорные вычислители могут осуществлять эти операции с высокой точностью, значительно превышающей точность аналоговых вычислительных устройств. Многие приборы, содержащие микропроцессоры, позволяют автоматически выполнять запрограммированные функциональные и логические преобразования, например:

---

• умножение найденного значения на константу;

• определение отклонения измеряемой величины от заданной в абсолютных единицах, относительных или в процентах;

• сложение или вычитание константы;

• вычисление отношений: деление на константу, нахождение частного от деления одного результата измерения на другой результат, деление константы на результат измерения;

• нахождение максимума и минимума из ряда измерений;

• определение выхода измеряемой величины за пределы уставки максимума и минимума. Представление результата измерения в логарифмических единицах;

• линеаризация зависимостей;

Применение микропроцессорной техники позволило создавать многофункциональные приборы, предназначенные для измерения нескольких параметров сигналов или характеристик объекта исследования. Функциональные возможности таких устройств определяются выполняемой программой, их можно легко видоизменить путем перехода к другой программе, хранимой в ПЗУ. Программируемая логика работы в отличие от жесткой создает гибкость перестройки, позволяет наращивать функции при модернизации прибора без существенных изменений в его схеме.

В результате сокращения числа компонентов в схеме прибора вследствие выполнения многих функций микропроцессорными системами уменьшились их габариты, вес, потребляемая мощность и стоимость. Существенно сократились сроки разработки измерительной аппаратуры.

Часто для получения новых свойств прибора не требуется значительных изменений в его схеме и тем более в конструкции. Разработка сводится к созданию необходимого программного обеспечения. Если учесть, что имеется библиотека совершенных типовых прикладных программ, то разработка програм­много обеспечения сводится к рациональному выбору имеющихся программ.

---

Заключение

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.

---