CC BY
71
УДК 629.423
КОНЦЕПЦИЯ СОЗДАНИЯ УНИВЕРСАЛЬНОЙ СИСТЕМЫ МОНИТОРИНГА ФУНКЦИОНАЛЬНЫХ ПАРАМЕТРОВ
Д.В. Журавлёв, Ю.С. Балашов, Д.В. Шеховцов
Разработанная система мониторинга представляет собой организационно-технический комплекс, который имеет возможность обеспечивать сбор, передачу, обработку, хранение, вывод и стратегический анализ данных. Рассмотренная концептуальная модель системы мониторинга предполагает использование блочно-модульного принципа построения системы, что позволяет формировать её иерархический состав гибко и просто в зависимости от задач применения. Выделены пути реализации устройств регистрации сигнала для универсальной системы мониторинга различных показателей. Проведен обзор основных блоков устройств регистрации с описанием их функциональных задач. Реализация основной программно-управляемой части универсальной системы мониторинга осуществлена на интегральных микросхемах типа «система на кристалле». Выделены этапы разработки «системы на кристалле». Представлена структурная схема «системы на кристалле», полученная в результате декомпозиции системы. Описаны архитектурные особенности основных блоков «системы на кристалле», подвергшейся декомпозиции. Представлена организация работы устройств регистрации на базе микроконтроллера 1874ВЕ96Т. Приведен пример использования системы с различными датчиками и исполнительными механизмами
Ключевые слова: мониторинг, дистанционный контроль, универсальная система, система на кристалле, декомпозиция проекта
Постановка задачи
В настоящее время бурное развитие радиотехники и электроники порождает создание большого количества телеметрических систем "измерения текущих параметров" в различных отраслях науки и техники, таких как: узлы магистральных линий связи; сельское хозяйство; водоснабжение и водоотведение; оборона и космос; разведка; ракетная техника; авто- и мотоспорт; бурение наклонных скважин; системы глобального позиционирования (в том числе спутниковый мониторинг транспорта); энергетика; мониторинг дата-центров; системы безопасности; умные дома; исследование дикой природы; телемедицина. В качестве среды передачи данных используются как беспроводные (радио, GSM/GPRS, ZigBee, WiFi, WiMax, LTE), так и проводные (телефонные, ISDN, xDSL, компьютерные) сети (электрические или оптические).
Среди огромного разнообразия реализаций систем телемониторинга существует необходимость выделения единой стандартизированной аппаратно-программной части, которая должна иметь возможность применения в большинстве телесистем. Данная аппаратно-программная часть должна обладать малыми габаритными размерами, весом, энергопотреблением и обеспечивать возможность регистра-
Журавлёв Дмитрий Владимирович - ВГТУ, канд. техн. наук, доцент, e-mail: ddom1@vandex.ru, http://B-B.su Балашов Юрий Степанович - ВГТУ, д-р физ.-мат. наук, профессор, e-mail: faddev52@mail.ru Шеховцов Дмитрий Витальевич - ОАО «НИИЭТ», начальник лаборатории, e-mail: wex@niiet.ru
ции, обработки и передачи в глобальную компьютерную сеть собранной информации. Аппаратно-программная часть также должна обеспечивать быстрое её перепрограммирование для возможности использования в различных системах.
Современные системы регистрации и обработки показаний разнообразных датчиков (параметров окружающей среды, физических процессов, биометрических показателей и др.) ориентированы, на работу в условиях узкой, специфической области применения. Эти ограничения обычно связаны с физическими условиями функционирования системы, типами и спецификациями используемых датчиков, применяемыми каналами связи. Строго определенная, заранее заданная область использования системы, ограничения, накладываемые ее структурными компонентами, в частности датчиками какого-либо конкретного типа, делают подобные системы негибкими, нацеленными лишь на строго определенную работу. Перестройка подобных системы для решения других задач, даже схожих с базовой, подчас совершенно невозможна. Новая задача требует разработки новой системы.
В силу вышеизложенного для формирования универсальной аппаратно-программной части использован микроконтроллер 1874ВЕ96Т (система на кристалле). Разработаны микродатчики-регистраторы, работающие под управлением данного микроконтроллера. Микродатчики-регистраторы представляют собой малогабаритные перепрограммируемые устройства, позволяющие проводить сбор, предваритель-
ную обработку и передачу, посредством стандартных технических средств, собранной информации на удаленный сервер. Количество микродатчиков-регистраторов, входящих в универсальную систему, не ограничено и определяется только задачами системы.
Предлагаемая универсальная система предназначена для регистрации показаний датчиков (концентрации газа, температуры, дыма, биологических параметров живых организмов и др.) в режиме реального времени, анализа показаний датчиков, определения граничных значений показаний, генерации и выдачи информационных сообщений о приближении показаний датчиков к граничным значениям и превышении допустимых границ (предупреждения, тревога), формировании управляющих сигналов для управления исполнительными механизмами. Область сферы применения системы ограничены лишь набором сенсоров (аналоговых и цифровых датчиков). Система способна отслеживать показания различных типов датчиков одновременно, например, следить за концентрацией углекислого газа в помещении, частотой пульса человека, атмосферным давлением и влажностью, передавая одновременно все необходимые параметры на удаленный пульт и формировать управляющие сигналы для исполнительных устройств: включить вентиляцию, управлять освещением и т.д.
Возможные сферы применения системы:
- контроль состояния биометрических параметров человека (пульс, температура тела, давление, дыхание, концентрация сахара в крови, медицинских препаратов средах и
др);
- отслеживание концентрации газов и вредных веществ в воздухе;
- контроль протекания физических и химических процессов;
- системы управления механизмами и агрегатами с большим количеством датчиков.
Универсальная система является высокопроизводительным программируемым комплексом, с возможностью реализации программных алгоритмов регистрации и обработки показаний датчиков, алгоритмов и протоколов обмена по последовательным интерфейсам и радиоканалу, и позволяет:
- работать с широким спектром внешних датчиков, в том числе с интеллектуальными датчиками, имеющими собственные встроенные алгоритмы регистрации и обработки показаний;
- выполнять быстрое перепрограммирование, адаптацию к требуемым условиям функционирования;
- производить гибкую подстройку диапазона чувствительности системы отдельно для каждого входного канала регистрации показаний к электрическим характеристикам датчика;
- передавать данные (показания датчиков, командные последовательности и др.) по каналам связи, с использованием различных высокоскоростных протоколов передачи данных, а также по радиоканалу;
- формировать управляющие сигналы для исполнительных устройств (двигатели, приводные механизмы, системы управления и др.);
- выполнять удаленное администрирование, глобальное конфигурирование, подстройку параметров;
- осуществлять программную коррекцию в зависимости от погрешности датчиков.
Структурная схема универсальной системы обработки представлена на рис. 1.
В структуру универсальной системы входят следующие основные блоки:
- Система на кристалле в составе:
- процессорное ядро, логика управления и принятия решений;
- память программ;
- память данных;
- АЦП;
- блок цифровых компараторов;
- модули приема/передачи данных;
- блок ШИМ;
- модуль высокоскоростного ввода/вывода;
- Блок усиления/нормализации уровней сигналов аналоговых датчиков;
- Цифровые интерфейсы захвата данных с интеллектуальных датчиков;
- Модуль внешних интерфейсов, поддерживающий различные стандарты обмена данными.
Микродатчики-регистраторы
Основой микродатчиков-регистраторов является микропроцессорное ядро, выполняющее программу, которая содержится во встроенной памяти программ системы на кристалле или во внешней памяти. Программа может быть изменена по желанию пользователя под конкретные задачи (обработка показаний датчиков дыма, тахометрических датчиков, датчиков пульса и др.).
Система принимает решения исходя из показаний датчиков, которые могут быть подключены по двум типам интерфейсов: аналоговому и цифровому.
s
"ЗГ
CL
а>
с; §
Cl
5 Сб ф
2 § 5
ï Е го
asê
'«■В ? g-B
ЙЙЕИа! S
¡oïmSJ f .s :....... Э
S g
О
О Cl
Ф
с; с;
го &
s Cl
ГО X
го s а>
Б
X
О
2 S
® га
& и
о a Дю
"TV
ТГ
f5 m
иинядоо doiBdiOHjed
Аналоговые ВХОДЫ «- <ч Z с с . . . С 3" =Г 3" < < < Î -0 _ о É-S-Ш _Q ш го О О CI 2 Q_ О Е ï j -9- S « Б Б g m q =Г g S
Ж
А
¡■g-S--
ттт
S Б с
£ ГО I
i s i !
si
-G- к
8. г ■e-5
s;
■& s
Рис. 1. Структурная микродатчика-регистратора
схема универсального
Аналоговый интерфейс осуществляет захват показаний датчиков как непосредственно с чувствительных элементов датчиков без промежуточной обработки, так и после встроенных схем усиления датчиков (при наличии таковых), а также выполняет начальную обработку аналоговых сигналов (адаптацию к входным параметрам АЦП).
Для эффективной работы с датчиками, выходные сигналы которых могут находиться в широком диапазоне напряжений, от единиц микровольт до десятков вольт, в структуру системы входит блок усиления\нормализации аналоговых сигналов, в составе которого ис-
пользуется набор операционных усилителей с регулируемым коэффициентом усиления. Слабые сигналы усиливаются, а сильные сигналы ослабляются до рабочих уровней аналого-цифровых преобразователей, осуществляющих оцифровку сигналов датчиков.
Нормализованные сигналы датчиков поступают на входы АЦП, входящих в состав системы на кристалле, которые выполняют оцифровку их в масштабе реального времени.
Цифровой входной интерфейс может принимать предварительно обработанные данные с внешних датчиков и передавать предварительно оцифрованные сигналы на последующую обработку минуя тракт аналоговых преобразователей. Обмен цифровыми данными при этом может производиться по различным видам протоколов: CAN, RS232, RS485, SPI, I2C, LIN, параллельная шина и др. В этом случае в качестве внешних датчиков могут быть использованы интеллектуальные датчики или аналоговые датчики с внешними АЦП.
Регистратор событий, в структуру которого входят встроенные АЦП и цифровые интерфейсы приема данных, передает оцифрованные сигналы датчиков на последующую обработку, при этом данные могут быть помещены на хранение в память данных и вызываться из этой памяти при необходимости.
Программа обработки показаний датчиков выполняется из внутренней памяти системы на кристалле или из внешней памяти программ и сравнивает текущие показания или данные, вызываемые из памяти, с пороговыми значениями, которые могут быть запрограммированы предварительно и определены независимо для каждого типа или номера датчика. Количество ступеней программного компаратора ограничено фактически лишь разрядностью АЦП, что позволяет реализовать с помощью системы большое количество уровней формирования предупреждающих сообщений и индикаторов тревоги. Ресурсы системы поддерживают программную коррекцию показаний датчиков, учитывая технологически обусловленный разброс параметров датчиков, а также, в зависимости от требований потребителя, позволяют выполнять различные виды подстройки системы под показания тех или иных датчиков (температурную коррекцию, подстройку порога чувствительности и др.).
После формирования сигналов сообщений о приближении к порогу срабатывания, предупредительных сообщений или сигналов тревоги вступает в работу блок обмена данными и сигналами управления. Выработанные сигналы
передаются выбранным способом на пульт управления, если таковой имеется в составе общего комплекса: по радиоканалу, последовательным (CAN, RS232, RS485, SPI, I2C, LIN и др.) или параллельному интерфейсу, либо на устройство предупреждения и тревоги, роль которого могут выполнять устройства аудио или видео оповещения, различные визуальные и звуковые сигнализаторы.
Блок обмена данными и сигналами управления поддерживает обмен данными или командами с любыми другими внешними устройствами по перечисленным выше протоколам, позволяет выполнять программирование системы в соответствие с требованиями потребителя, изменять программный код в зависимости от типа используемых датчиков, корректировать алгоритмы обработки сигналов датчиков и формирования ответных сигналов, что делает систему гибкой и универсальной, обеспечивает возможность использования ее для широкого спектра приложений и применений.
Ресурсы системы позволяют формировать управляющие сигналы для исполняющих механизмов, осуществлять их включе-ние\отключение, регулировку режимов работы. Встроенный многоканальный модуль ШИМ и модуль высокоскоростного ввода\вывода могут использоваться для формирования управляющих последовательностей электрических двигателей. Пример использования формирователей - запуск двигателей приточной вентиляции в случае повышения концентрации углекислого газа в атмосфере рабочих помещений и изменение скорости притока в зависимости от концентрации газа.
Разработка системы на кристалле: декомпозиция проекта
Универсальная система на кристалле является сложным многокомпонентным устройством, состоящим из цифровых, цифро-аналоговых и аналоговых блоков различного назначения и уровня сложности. Разработку системы целесообразно выполнять с помощью метода комплексного нисходящего иерархического проектирования, подразумевающего выполнение следующих этапов:
1. Системное проектирование. Заключается в декомпозиции проекта, т.е. разбиении его на составные части, блоки, выбор общей архитектуры устройства, определении способов взаимодействия составных частей друг с другом, выборе протоколов обмена данными и сигналами управления, разработке спецификаций для каждого блока, что необходимо для обеспечения предельных и оптимальных элек-
трических, временных и функциональных характеристик структурных единиц изделия.
2. Проектирование или подбор компонентов системы. На данном этапе определяются основные способы выполнения требований спецификаций, разработанных на этапе системного проектирования, осуществляется физическая разработка и отладка отдельных компонентов системы или заимствование подходящих компонентов, заключающееся в анализе и подборе наиболее подходящих компонентов в соответствии со спецификациями.
3. Сборка системы, физическое проектирование. На данном этапе выполняется иерархическое объединение блоков проекта в единое целое. Разработанные на этапе проектирования блоки организуются в соответствии со спецификациями в единый комплекс. Выполняется функциональное моделирование проекта, разработка физического представления системы (топология), аналоговое (смешанное) моделирование, функционально-параметрическая отладка системы.
4. Программное проектирование, отладка проекта. На этом этапе разрабатывается базовое программное обеспечение системы, разработка системного монитора, производится отладка программного обеспечения, отработка алгоритмов взаимодействия компонентов внутри системы и системы с внешними устройствами.
Декомпозиция проекта позволяет выделить следующие структурные единицы, подлежащие разработке или заимствованию:
- основа универсальной системы (рекомендуется реализация в виде системы на кристалле);
- аналоговые датчики;
- интеллектуальные датчики (цифровые);
- модуль нормализации выходных сигналов аналоговых датчиков;
- контроллеры интерфейсов обмена данными с внешними устройствами; модули управления исполнительными механизмами;
модуль радиоканала или другая подсистема обмена данными и сигналами управления с внешними удаленными устройствами, например, с пультом управления или системой регистрации и сбора информации.
Реализацию основной программно-управляемой части универсальной системы регистрации целесообразно выполнять в виде интегральной микросхемы типа «система на кристалле», что позволяет получить в итоге ком-
пактное устройство с низким потреблением, высоким быстродействием, максимальным набором функциональных параметров, большим объемом встроенной памяти, необходимой для реализации гибких пользовательских программ, широким наборов периферийных интерфейсов для быстрого обмена данными с внешними устройствами, наличием встроенного многоканального АЦП требуемой разрядностью. Система на кристалле должна работать под управлением высокопроизводительного процессорного ядра с удобной и гибкой системой команд.
Для качественной разработки гибкой подсистемы управления (микроконтроллера) также необходимо произвести декомпозицию системы на кристалле для определения подходящей архитектуры и последующего поблочного иерархического проектирования. Для формирования быстрой, надежной и гибкой системы представляется целесообразным разработка системы на кристалле со следующей архитектурой:
- 16 или 32-разрядное процессорное ядро (ЦПУ), работающее на частотах от 20 МГц и выше, обеспечивающее конвейерную обработку команд/данных, что позволит получить высокое быстродействие всей системы с минимальным количеством циклов простоя процессорного ядра;
- модуль PTS (сервер периферийных транзакций), поддерживающий передачу данных в момент простоя шины данных, что обеспечивает транзакции без остановки ЦПУ, повышая тем самым быстродействие системы, задействует высокоскоростной обмен данными, необходимый для контроля за датчиками в масштабе реального времени;
- быстродействующий 8-16 канальный АЦП с разрядностью 12-16 бит или несколько независимых АЦП, поддерживающих оцифровку как одиночных, так и непрерывно меняющихся сигналов. Оптимальным является применение АЦП со встроенным усилителем входных сигналов с программируемым коэффициентом усиления и поддерживающим дифференциальный и несимметричный режим работы входов. Наличие блока цифровых компараторов в составе АЦП позволит обеспечить аппаратную фиксацию событий, регистрируемых аналоговыми датчиками, фиксацию выхода состояния входных сигналов за границы установленного рабочего диапазона без приме-
нения программных решений, сократив тем самым загрузку ядра системы и общее время отклика на событие;
- встроенная память программ и память данных типа Flash, EEPROM объемом 8 К и более;
- ОЗУ объемом 1К и более;
- модули последовательных интерфейсов типа UART, I2C, SPI;
- параллельные порты ввода\вывода;
- модуль многоканальных широтно-импульсных модуляторов;
- модуль HSIO - подсистема высокоскоростной регистрации внешних событий, высокоскоростного вывода и формирования последовательности тактовых импульсов, необходимая для использования в быстродействующих системах управления;
- система управления энергопотреблением, обеспечивающая гибкое управление потреблением за счет реализации различных режимов сохранения мощности, в том числе с помощью отключения неиспользуемых периферийных блоков от ветвей тактирования;
- модуль отладки пользовательских программ, позволяющих выполнять качественную пошаговую отладку загруженных в память системы программ.
На рис. 2 представлена структурная схема системы на кристалле, полученная в результате декомпозиции системы. Ниже описаны архитектурные особенности основных блоков системы на кристалле, подвергшейся декомпозиции. Оформление подробных спецификаций представленных ниже блоков целесообразно выполнять на этапе системного проектирования после окончательного выбора архитектурных особенностей системы.
данных
Рис. 2. Структурная схема системы на кристалле, полученная в результате декомпозиции системы
Организация работы ЦПУ
Обмен ЦПУ с перечисленными блоками предлагается выполнять, используя протоколы шинного обмена с раздельными шинами адреса и данных. Кроме того для расширения адресного пространства целесообразной представляется такая организация системы, при которой возможно подключение внешних запоминающих устройств, например, с помощью внешней мультиплексной шины адреса/данных, совмещенной с параллельными портами ввода/вывода. Такое решение позволит существенно расширить объем адресуемой памяти системы, а также использовать различные программы обработки событий без перестройки и перепрограммирования системы за счет того, что одна из программ может находиться во внутренней памяти системы на кристалле, а еще несколько различных программ могут располагаться на внешних адресуемых запоминающих устройствах.
Для построения подобной системы подходит архитектура Фон Неймана. Система, реализованная по указанной архитектуре имеет системную магистраль для обмена данных с внешней памятью и дополнительными периферийными устройствами. Система команд предлагаемого устройства сможет поддерживать широкий набор методов адресации, в т.ч. битовую адресацию. Процесс выборки и выполнения команд независимый, что позволяет минимизировать время простоя, как контроллера команд, так и ЦПУ. С целью расширения функционала системы, т.е. для обеспечения ее функциональности целесообразно ввести в систему возможность управления стартовым адресом, что позволит запускать выполнение программы с различных внешних запоминающих устройств или из различных областей внутренней памяти.
Аналого-цифровой преобразователь
Разрешающая способность АЦП обеспечивает качество оцифровки сигналов датчиков, так 14-16 АЦП способен качественно преобразовывать слабые или изменяющиеся в небольшом диапазоне амплитуд сигналы. По этой причине, а также с целью оптимизации оцифровки сигналов с различной амплитудой рекомендуется выполнять разработку или использовать СФ блок АЦП с разрешающей способностью 14-16 бит, встроенным усилителем входных сигналов и поддержкой обработки непрерывно меняющихся сигналов. Для уменьшения действия синфазных помех необходимо предусмотреть возможность работы АЦП в режиме дифференциального входа. Оптимальной архитектурой модуля АЦП является схема с независимой обработкой каждого канала, позволяю-
щая задавать настройки преобразования для каждого канала отдельно, либо АЦП, способный работать в режиме сканирования каналов. Рекомендуемое количество входных каналов АЦП - 8-16.
Устройство скоростного ввода вывода HSIO
Модуль скоростного ввода может записывать время внешних событий с определенной разрешающей способностью, обеспечивая регистрацию внешних событий независимо по нескольким входным каналам и может быть использован при работе с цифровыми и интеллектуальными датчиками. Захват событий целесообразно предусмотреть по различным условиям (нарастающий/спадающий фронт сигнала и др.).
Модуль высокоскоростного вывода предназначен для инициализации событий в определенные моменты времени, базирующиеся на значениях внутренних таймеров. Эти события могут заключаться, например, в запуске преобразования, формирования программных временных задержек, установке или сбросе выходных линий. Выходные линии могут использоваться в качестве ШИМ-формирователя с изменяемой частотой и скважностью для подключения цифровых и интеллектуальных датчиков.
Часы реального времени RTC
Наличие модуля часов реального времени RTC с независимым таймером позволит: отсчитывать текущую дату и время; контролировать время наступления событий в масштабе реального времени, запоминать и передавать время прихода сигналов датчиков, измерять длительные интервалы времени, например, между сигналами датчиков.
Модули последовательных интерфейсов
Контроллеры последовательных интерфейсов в составе системы на кристалле могут быть использованы как для обмена данными между блоками универсальной системы, так и для командного управления и обмена данными между системой и внешними устройствами.
В составе системы на кристалле целесообразно предусмотреть следующие модули последовательной передачи информации, обеспечивающие высокую степень универсальности передачи данных за счет обеспечения поддержки ряда широко используемых протоколов: - Синхронный последовательный интерфейс SPI. Интерфейс предназначен для быстрого синхронного обмена данными между системой на кристалле и периферией, например, между системой и модулем радиоканала, или между несколькими системами. Протокол SPI должен поддерживать: пол-
нодуплексную, трехпроводную синхронную передачу данных, работу в режимах Master или Slave, обмен данными начиная с «младшего» или «старшего» бита, программирование скорости передачи;
- Двухпроводный последовательный синхронный интерфейс I2C. Модуль должен обеспечивать полную поддержку двухпроводного синхронного интерфейса I2C/SMBus, что позволит обеспечить легкое соединение со многими запоминающими устройствами и устройствами ввода вывода, включая EEPROM, SRAM, счетчики, АЦП, ЦАП и др. периферийными устройствами. Модуль должен обеспечивать следующие функции: поддержку стандартного (Standart), скоростного (F/S) и высокоскоростного (Hs) режимов; работу в режимах Master или Slave, возможность подключения нескольких ведущих устройств (режим Multi-Master); возможность одновременного обращения ко всем устройствам шины (global call), функции отслеживания ошибок в пакетах данных, возможность обращения одного или нескольких Slave-устройств к Master с получением отклика последнего;
- Последовательный интерфейс UART, обеспечивающий синхронный и асинхронный режимы работы. Асинхронные режимы должны быть полнодуплексными, поддерживать 7, 8 и 9 битные пакеты, возможность дополнения данных битом четности при передаче и контроля бита четности при приеме, поддерживать стандартные и широко используемые скорости передачи информации.
CAN-интерфейс
Интеграция в контроллер CAN-интерфейса позволит передавать сообщения с использованием широко распространенного в настоящее время CAN-протокола. Принятая в CAN-сети схема передачи сообщений обеспечит широкие возможности при создании и модернизации системы, а также при подключении новых устройств. CAN использует многоступенчатый механизм исправления ошибок, что существенно повышает помехоустойчивость каналов передачи данных и цепей управления системы.
Параллельные порты ввода/вывода
Система на кристалле должна иметь несколько стандартных портов ввода/вывода. Оптимальным является совмещение входных линий АЦП с портом ввода цифровых данных, что позволит уменьшить общее количество выводов системы, и присутствие в составе системы квазидвунаправленных портов. Также су-
щественно сократить общее количество внешних выводов микросхемы позволит использование мультиплексной внешней шины, объединенной с параллельными портами ввода/вывода и задействование выводов стандартных портов под альтернативные функции, например, входные и выходные линии последовательных интерфейсов, ШИМ-контроллера, входов/выходов HSIO.
Модуль отладки OCDS
Модуль отладки в составе системы на кристалле необходим для существенного упрощения процесс отладки программного обеспечения. Модуль отладки должен поддерживать режимы пошаговой отладки, переход на указанный внешним отладчиком адрес, режим аппаратного сброса.
Аналоговые датчики
Аналоговые датчики проектируются или выбираются исходя из их назначения и рабочих условий эксплуатации. Уровни выходных сигналов датчиков практически не важны, т.к. они могут быть откорректированы и оптимизированы блоком усиления и нормализации сигналов. Особое внимание стоит обратить на стабильность их показаний при одинаковых условиях и разброс этих показаний по диапазону работоспособности датчика. В данном случае технологии производства датчиков не являются критичными и могут быть выбраны исходя из достижения оптимальных параметров.
Блок усиления и нормализации сигналов
Универсальность системы обеспечивается возможностью использования разнообразных датчиков с электрическими параметрами в широком диапазоне величин (напряжений, токов, сопротивлений и др.). По этой причине для обеспечения указанных возможностей в систему должен быть интегрирован блок усиления и нормализации сигналов.
Блок усиления и нормализации сигналов предназначен для совместной работы с аналоговыми датчиками с целью оптимизации характеристик выходного сигнала аналоговых датчиков и подгонке их к оптимальному диапазону работоспособности АЦП. Блок должен обеспечивать усиление слабого сигнала аналоговых датчиков до требуемого уровня, достаточного для выполнения качественного преобразования с помощью АЦП и приведение амплитуды сигнала к требуемой за счет усиления, ослабления, «притягивания» сигнала к диапазону преобразования АЦП. При разработке блока целесообразно использовать малошумящие операционные усилители с широким диапазоном коэффициента усиления, а сам блок должен обеспечивать перестройку усиления. Оптимальным яв-
ляется реализация, в которой перестройка выполняется автоматически или с помощью управляющих сигналов системы.
Разработку блока усиления и нормализации целесообразно выполнять в составе системы на кристалле. Это позволит адаптировать выходные уровни блока к требованиям, предъявляемым к входным сигналам АЦП, позволит исключить «лишние» электрические компоненты входного тракта АЦП, необходимые для приведения уровней входных сигналов к требованиям АЦП, обеспечит целостность сигналов.
Крайне важным представляется обеспечение поддержки блоком усиления и нормализации работы с датчиками, имеющими пониженное напряжение питания и низкие уровни выходного сигнала, сопоставимые с утечками. Проектирование подобных структур с использованием стандартных библиотечных компонентов рекомендуется выполнять по методике, являющейся результатом научных исследований, описанных в источнике [1]. Данные исследования позволяют создавать устройства с пониженным напряжением питания, используя лишь имеющиеся базовые структуры (компоненты) стандартного технологического процесса производства, исключая необходимость применения специальных средств и дополнительных трудоемких и дорогостоящих технологических операций базовой технологии.
Интеллектуальные (цифровые) датчики
Использование интеллектуальных датчиков является хорошей альтернативой применению в системе аналоговых датчиков совместно с внешними или встроенным в систему на кристалле АЦП. Совместное применение интеллектуальных и аналоговых датчиков позволит существенно увеличить количество каналов регистрации показателей с незначительной нагрузкой на центральный процессор системы. Интеллектуальные датчики или датчики, осуществляющие оцифровку показаний должны обеспечивать передачу данных и сигналов по стандартным последовательным протоколам обмена.
Пример реализации системы
С целью отработки процесса проектирования, оптимизации производительности общей системы, ее потребляемой мощности, используемых системных ресурсов представляется целесообразной разработка макетного образца системы с использованием прототипа системы на кристалле (микроконтроллера) с учетом требований к универсальной системе регистрации и обработки данных.
Прототипом системы на кристалле могут послужить микроконтроллеры серии 1874 про-
изводства ОАО «НИИЭТ» [2], как наиболее подходящие под требования спецификации. Оптимальным выбором является микроконтроллер 1874ВЕ96Т.
Микроконтроллер 1874ВЕ96Т соответствует главным требованиям спецификации. Являясь современным 16-разрядным микроконвертером (МК) с усовершенствованной архитектурой MCS-96, эта интегральная схема включает в себя:
- восемь 16-разрядных сигма-дельта АЦП, работающих с непрерывно меняющимися сигналами, каждый из которых управляется отдельно, имеет встроенный источник опорного напряжения, усилитель с регулируемым коэффициентом усиления с максимальным значением 38 дБ, способен работать в режиме дифференциального или несимметричного входа;
- тип и объем внутренней памяти: память программ EEPROM - 16Kx16, ОЗУ - 2Кх8, расширенное ОЗУ - 2Кх8;
- интерфейсы;
- ШИМ;
- ЦАП.
Предусмотренный модуль отладки OCDS существенно упрощает процесс отладки пользовательского программного обеспечения и три режима энергосбережения. При использовании архитектуры МК 1874ВЕ96Т предполагаются следующие основные направления работ:
- повышение производительности архитектуры прототипа;
- увеличение объемов встроенной памяти;
- увеличение общего количества каналов регистрации событий АЦП;
- повышение быстродействия АЦП;
- реализация модуля часов реального времени RTC и включение его в состав структурных блоков прототипа;
- разработка и встраивание в архитектуры системы CAN-узла для обеспечения обмена данными системы на кристалле с внешними устройствами по CAN-протоколу;
- оптимизация нагрузочных характеристик портов и снижение собственного тока потребления микросхемы.
Альтернативной указанному МК являются все микросхемы серии 1874 с похожей архитектурой, а также более производительные микроконтроллеры серии 1887. Блок-схема использования системы с различными датчиками и исполнительными механизмами представлена на рис. 3.
При реализации системы контроля параметров окружающей среды в качестве внешних датчиков концентрации газовых сред можно
использовать сенсоры, реагирующие на любые
среды, например:
- термокаталитический сенсор ТКС-2АМ, выпускаемых отечественным предприятием ОАО «Авангард»;
- интеллектуальный датчик давления DMP 333i промышленного применения, цифровым интерфейсом передачи данных RS232, с блоком обработки и программируемой активной компенсацией характеристик чувствительного элемента;
- датчик алкоголя и органических соединений TGS822;
- термокаталитический датчик общего загрязнения воздуха TGS2600.
вого анализа для определения концентрации углеводородов ряда метана, водорода, а также других горючих газов и паровоздушных смесей в атмосферном воздухе.
Основные достоинства сенсора, определившие его выбор: линейная функциональная зависимость выходного напряжения сенсора от концентрации газа. Позволяет выполнять преобразование показаний без введения дополнительной коррекции с использованием штатных средств системы на кристалле; выходное напряжение сенсора (милливольты) позволяет использовать сенсор без блока нормализации, подключив его напрямую к входам АЦП.
Рис. 3. Пример использования системы с различными датчиками и исполнительными механизмами
Сенсор ТКС-2АМ (рис. 4) предназначен для использования в приборах и системах газо-
Рис. 4. Термокаталитический сенсор ТКС-2АМ
Основные параметры датчика представлены в таблице.
Технические характеристики термокаталитического сенсора ТКС-2АМ
Наименование параметра, ед. измерения Значение параметра
Контролируемый газ Углеводороды ряда метана, водород, пары бензинов, органических растворителей и др.
Диапазон преобразования % об. 0,1 - 3
Функциональная зависимость выходного напряжения сенсора от концентрации Линейная
Напряжение питания, В 2,4 ± 0,1
Ток потребления, А 0,115 ± 0,005
Время прогрева не более, с 30
Время установки выходного сигнала, с 15
Чувствительность по метану, мВ/% об. СН4 не менее 17мВ при 1/% об. СН4
Изменение чувствительности сенсора в диапазоне температур: ± 25
от минус 40 до плюс 60 0С, % не более
Изменение чувствительности сенсора в диапазоне относительной влажности: от 30 до 90 %, (%, не более) ± 20
Изменение чувствительности сенсора после воздействия 3,5 % об. СН4 в течение 5 мин ± 15 %
Габаритные размеры, мм - диаметр - высота - длина выводов 9,2 ± 0,1 19,5 ± 0,2 11,5 ± 0,1
Интеллектуальный сенсор DMP333 (рис. 5а) имеет встроенный 16 разрядный АЦП, цифровой усилитель. Датчик передает данные и поддерживает программную калибровку и коррекцию показаний через цифровой интерфейс RS232 и может быть подключен с использование указанного протокола к системе.
Датчики газов TGS822, TGS2600 (рис. 5б и 5в) и ТКС-2АМ являются термокаталитическими, линейными устройствами и подключаются к аналоговому интерфейсу системы.
а) б) в)
Рис. 5. Датчики: а - DMP333; б - TGS822; в -TGS2600
Для проверки работоспособности системы и отладки аппаратно-программной части собран макет системы мониторинга функциональных параметров человека. Микродатчики-регистраторы под управлением микроконтроллера 1874ВЕ96Т располагаются на теле человека. Для контроля основных физиологических показателей человека достаточно регистрировать ЭКГ, пульс, температуру и артериальное давление. В качестве стандартного шлюза для передачи и обработки регистрируемой информации в удаленную базу данных были использованы средства персональной коммуникации (смартфон, планшетный компьютер). Смартфон создает точку доступа WiFi и находится в непо-
средственной близости от человека (соответственно и от микродатчиков-регистраторов). Микродатчики-регистраторы в автоматическом режиме подключаются к смартфону и передают по радиоканалу собранную и предварительно обработанную (фильтрация, компрессирование) информацию. Разработанное программное обеспечение (ПО), устанавливаемое на смартфоне под управлением операционной системы Android 5.0 проводит окончательную обработку данных (сравнение с эталонными значениями, выявление отклонений от нормы), вывод результатов диагностики на экран и обеспечивает передачу данных в конкретное "облачное" хранилище через глобальную сеть Internet. Также ПО позволяет в любой момент подключиться к "облачной" базе данных и просмотреть на экране смартфона результаты диагностики в отложенном режиме.
Концептуальная модель разработанной системы предполагает использование блочно-модульного принципа построения, что позволяет формировать её иерархический состав гибко и просто в зависимости от задач применения.
Литература
1. Эквивалентная схема МОП-транзистора с электрически соединенными затвором и карманом [Текст] / А. В. Русанов, А. Ю. Ткачев, Ю. С. Балашов // Известия высших учебных заведений. Электроника. - 2014. - № 1 (105). - С. 85-86 : схема, граф. - Библиогр.: с. 86 (3 назв.) . - ISSN 1561-5405
2. 16-разрядный микроконвертер [Электронный ресурс] : Режим доступа : World Wide Web. URL : http://www.niiet.ru/chips/microconvertors/
Воронежский государственный технический университет
ОАО «Научно-исследовательский институт электронной техники», г. Воронеж
THE CONCEPT TO CREATE A VERSATILE PARAMETER MONITORING
SYSTEM
D.V. Zhuravlev, Candidate of Technical Sciences, Voronezh State Technical University, Voronezh, Russian Federation, e-mail: ddom1@yandex.ru
Yu.S. Balashov, Doctor of Physical and Mathematical Sciences, Full Professor, Voronezh State Technical University, Voronezh, Russian Federation, e-mail: faddey52@mail.ru
D.V. Shekhovtsov, Candidate of Technical Sciences, OAO "NIIET", Voronezh, Russian Federation, e-mail: wex@niiet.ru
The monitoring system developed is a control and technical complex to collect, transfer, process, store, output and strategically analyze data. This article considers a conception model the system of interest involving a block-module system structure. This enables forming a hierarchical structure in a flexible, simple, and application-dependent way. The ways to implement a signal recording unit for a versatile system to monitor various parameters are considered. The basic components of the re-
cording unit are reviewed. Their functional tasks are described. The main software-driven part of the versatile system is implemented within the SoC (System on Chip) integrated circuits. Systems on Chip development steps are determined. The SoC block diagram derived from the system decomposition is shown. The architecture features of the SoC basic blocks are described. The controlled recording unit operation is shown based on the 1874VE96T microcontroller. A system operation in conjunction with various sensors and actuators is demonstrated
Key words: monitoring, remote control, universal system, system on chip, decomposition of the project
References
1. Rusanov A. V., Tkachev A. Ju., Balashov Ju. S. Jekvivalentnaja shema MOP-tranzistora s jelek-tricheski soedinennymi zatvorom i karmanom [The equivalent circuit of MOSFET with electrically connected gate and pocket] // Izvestija vysshih uchebnyh zavedenij. Jelektronika. 2014; № 1 (105); P. 85-86
2. 16-razrjadnyj mikrokonverter [16-bit MicroConverter] [electrody resource] : Access mode : World Wide Web. URL : http://www.niiet.ru/chips/microconvertors/
