Файл: Лабник.pdf

3

Предисловие

Современные автоматизированные системы рассматриваются как совокупность технических средств и математических методов, обеспечивающих управление объектом автоматизации в соответствии с заданной целью. Любая автоматизированная система всегда должна решать две фундаментальные задачи: измерение сигналов с датчиков объекта автоматизации в реальном времени и генерацию реальных физических сигналов.

Цель лабораторного практикума – познакомить студентов с современными аппаратными средствами построения компонентов автоматизированных систем на основе ЭВМ семейства IBM PC, методикой проектирования каналов управления и измерения параметров объекта автоматизации.

Вкачестве устройства связи с объектом автоматизации, включающего большинство рассматриваемых аппаратных средств используется интерфейсная плата L-154, устанавливаемая непосредственно

всистемный блок ЭВМ. Преимущества такого способа объединения ЭВМ с устройствами связи с объектом автоматизации заключаются в возможности обработки представления и хранения экспериментальных данных.

Первый раздел посвящен знакомству с такими компонентами автоматизированных систем, как цифро-аналоговые и аналого-цифровые преобразователи, измерительные усилители и мультиплексоры аналоговых сигналов. На их основе строятся и каналы управления объектом и каналы измерения параметров объекта, исследуются возможности каналов и их предельные характеристики.

Во втором разделе рассматривается аппаратная реализация программируемого контроллера прерываний, мультипрограммный режим работы автоматизированной системы с прерыванием текущей программы процессора и возможности реакции системы на события, происходящие на объекте автоматизации.

Втретьем разделе изучается программируемый интервальный таймер – необходимый элемент при решении задач реального времени. Рассматриваются возможности программирования интервального таймера, и синхронизации операций реального времени в автоматизированной системе на основе ЭВМ.

4

Рис. 1.1. Функциональная схема АС на основе ЭВМ семейства IBM

Эволюция АЦП, ЦАП и других компонентов АС сделали встраиваемые платы ввода–вывода сигналов естественным выбором для многих применений.

Программная модель интерфейса включает 12 регистров, 2 из которых 12-разрядные, а остальные 10 – 8-разрядные. Начальный адрес интерфейса в области устройств ввода-вывода магистрали ЭВМ равен 0300h. Здесь и далее h указывает на шестнадцатеричную систему счисления. Адреса всех остальных регистров приводятся относительно начального.

1.2. Техническое описание и методика управления компонентами системы

Цифроаналоговый преобразователь (ЦАП) преобразует 12-

разрядный цифровой код, поступающий из ЭВМ, в аналоговый сигнал в виде напряжения. ЦАП может использоваться для вывода управляющих воздействий на исполнительные органы объекта автоматизации.

Технические характеристики ЦАП:

-диапазон изменения выходного сигнала UDAC = ± 5,12 В;

-разрешающая способность U = 2,5 мВ;

-максимальное время преобразования Tпр = 10 мкс.

Код n, записываемый в ЦАП, и напряжение U, на его выходе, связаны выражением: UDAC = U(n - 2048), (1.1) где n — целое число в диапазоне 0 – 4095.

Программная модель ЦАП включает регистр данных с относительным адресом равным 0. Процессор может писать данные в регистр данных ЦАП, которые преобразуются в аналоговый сигнал в соответствии с (1.1).

Быстродействие ЦАП выше быстродействия процессора и, следовательно, для управления им можно применить безусловный способ обмена данными. В любой момент времени ЦП может записать в ЦАП цифровой код и, тем самым, установить управляющее напряжение на его выходе.

Аналого-цифровой преобразователь (АЦП), предназначен для преобразования измеряемого напряжения U, зафиксированного во время выборки, в 12-разрядный параллельный код.

АЦП позволяет измерять мгновенное значение сигнала.

Вход АЦП соединяется с внешними сигналами объекта автоматизации через один из входов 32- (16) разрядного мультиплексора. На входы мультиплексора могут поступать сигналы с датчиков объекта, а выход мультиплексора соединен с входом АЦП через измерительный усилитель.

Технические характеристики модулей АЦП, усилитель, мультиплексор: - число двоичных разрядов кода АЦП n = 12;

6

- диапазоны измерения входного сигнала АЦП (устанавливаются программно с помощью усилителя)

UADC = 5,12 B, 2,56 В, 1,024 B; - разрешающая способность АЦП U = 2,5 мВ, 1,25 мВ, 0,5 мВ,

взависимости от диапазона измерения входного сигнала;

-максимальное время преобразования АЦП Tпр = 1,7 мкс;

-запуск АЦП программный по команде ЦП;

-входное сопротивление R = 2 МОм;

-время переключения канала мультиплексора Тмтп ≤ 4мкс. Напряжение на входе АЦП U и код n на выходе связаны соотношением:

UКВ - напряжение входного сигнала U, округленное АЦП;

n - цифровой код на выходе АЦП находится в диапазоне 0 – 4095. Максимальная погрешность измерения входного напряжения U от

Программная модель модулей АЦП, усилителя и мультиплексора включает 4 регистра:

- регистр данных АЦП; - регистр управления АЦП, усилителя и мультиплексора;

- регистр состояния АЦП и таймера; - регистр запуска АЦП.

Регистр данных 12-разрядный (относительный адрес 0) доступен ЦП для чтения. Разряды регистра данных D0 - D11 содержат код числа n, пропорциональный измеренному входному напряжению (1.2).

Регистр управления АЦП, усилителя и мультиплексора 8-и разрядный (относительный адрес + 2) предназначен для установки номера канала мультиплексора, режима подключения входных сигналов и диапазона их измерения. Регистр доступен ЦП для записи.

Формат регистра управления:

Назначение отдельных разрядов регистра управления.

–U2, U1 – диапазон измерения входного сигнала:

–1,1 – 5,12 В; 1,0 – 2,56 В, 0,1 – 1,024 В; 0,0 – запрещено.

–M32 – режим подключения сигнала на входе мультиплексора: М32=1 – 32-канальный режим с общей землей, М32=0 –16-канальный дифференциальный режим.

–С4 - С0 – номер канала мультиплексора, подключаемого к входу АЦП:

7

00000 – 1 канал, 00001 – 2 канал, …., 11111 – 32 канал.

При дифференциальном подключении входных сигналов С4=0. После переключения номера канала в мультиплексоре необходимо

организовать задержку на время переключения канала равную ~ 4мкс. Следует иметь в виду, что управление осуществляется одновременно

диапазоном измерения АЦП, режимом подключения входных сигналов и номером канала мультиплексора.

Регистр состояния 8-разрядный (относительный адрес + 2) указывает состояние АЦП и счетчиков таймера. Регистр доступен ЦП для чтения.

Формат регистра состояния:

После запуска АЦП бит состояние АЦП устанавливается в “1” на время выполнения преобразования и сбрасывается в “0” по окончании преобразования. При проверке готовности данных после запуска АЦП необходимо дождаться нулевого значения бита состояния.

Регистр запуска АЦП 8-разрядный (относительный адрес +4). ЦП регистр доступен для записи. Запись произвольного значения в указанный регистр запускает АЦП на выполнение измерения.

Методика измерения входного напряжения включает:

1)подключение выбранного канала мультиплексора к источнику сигнала;

2)установка номера канала мультиплексора, режима и диапазона измерения входного сигнала;

3)не ранее чем через 4 мкс после переключения канала мультиплексора запуск АЦП на измерение;

4)проверка завершения измерения и готовности данных для чтения;

5)чтение данных и преобразование полученного кода в напряжение UКВ. Для определения момента окончания измерения АЦП необходимо,

после запуска АЦП, проверять бит D3 регистра состояния.

1.3.Программная реализация методики управления устройствами

системы

Рассмотрим программные средства, реализующие методику управления в среде программирования Borland-PASCAL.

Установка на выходе ЦАП заданного напряжения U заключается в вычислении соответствующего ему кода (1.1), округления полученного значения до ближайшего целого числа и записи его в регистр данных ЦАП (адрес 300h).

Пример 1.1. Формирование на выходе ЦАП напряжения равного 1 В. var n: integer; Begin n := Round (1.0/0.0025 + 2048); PortW[$300]:=n; End.

8