CC BY
99
Каграманянц Виктор Александрович
E-mail: vict@mopevm.tsure.ru.
Тел.: 88634371746.
Kravchenko Pavel Pavlovich
Taganrog Institute of Technology - Federal State-Owned Educational Establishment of Higher Vocational Education “Southern Federal University”.
E-mail: kravch@tsure.ru.
44, Nekrasovski, Taganrog, 347928, Russia.
Phone: +78634314945.
Kagramanyants Victor Alexandrovich
E-mail: vict@mopevm.tsure.ru.
Phone: +78634371746.
УДК 001.63:681.586
A.H. Катков МЕТОДИКА МОДЕЛЬНО-УПРАВЛЯЕМОГО ПРОЕКТИРОВАНИЯ ЦИФРОВЫХ ДАТЧИКОВ
Изложена методика модельно-управляемого проектирования цифровых датчиков. Модельно-управляемое проектирование представляет собой естественный подход к проектированию, обусловленный эволюционным развитием элементной базы, а также методик и инструментальных средств проектирования. Показано, что модельно-управляемое проектирование сокращает длительность разработки, повышает технические и эксплуатационные качества датчиков, позволяет оценивать возможности реализации и выбирать реализуемые варианты. Приведен пример применения методики для проектирования цифрового датчика разности давлений. Актуальность и научно-техническая новизна работы заключается в описанной методике.
; - .
A.N. Katkov DIGITAL SENSORS MODEL-BASED DESIGN TECHNIQUE
Digital sensors model-based design technique is stated. Model-based design represents the natural approach to the designing, caused by evolutionary development of element base, and also techniques and tool design tools. It is shown that model-based design reduces duration of working out, increases technical and operational qualities of gauges, allows to define possibilities of realisation and to choose realised variants. Example of technique deployment for digital differential pressure sensor design is given. Actuality and scientific-technical novelty are consists in described technique.
Digital sensor; model-based design.
Датчики физических величин представляют собой важный класс средств измерений и применяются в различных условиях эксплуатации. Исключить влияние внешних факторов на измерительные сигналы (ИС) датчиков удаётся редко, поэтому общепринятой практикой стала компенсация следствий влияния внешних воздействующих факторов (ВВФ) на ИС, иными словами, коррекция погрешностей. Широко применяются цифровые методы коррекции погрешностей, основанные на методе вспомогательных измерений [1], не зависящие от времени и позволяющие добиться высоких метрологических характеристик [2]. Применение цифровой обработки ИС в датчиках стало возможным с развитием микромощной ма-
логабаритной элементной базы и средств разработки встроенного программного ( ) .
Цифровые датчики (ЦД) - это датчики, выполняющие цифровую обработку измерительных сигналов с целью повышения точности измерений, передающие сигналы по цифровому каналу. ЦД представляют собой перспективный класс измерительно-вычислительных устройств, развивающийся на стыке измерительной и вычислительной техники, где идет процесс интеграции средств получения измерительной информации и средств ее обработки [3, 4]. Цифровые датчики являются сложными электронными устройствами, содержащими цифровые и аналоговые аппаратные узлы и программные компоненты. При разработке ЦД требуется не только сбалансированно распределять функции между аппаратными и программными средствами [5, 6], но и учитывать разнообразные, нередко противоречивые нефункциональные требования [7]. В настоящее время назрела необходимость разработки методики проектирования ЦД физических величин, основанной на мо.
Решение такой сложной задачи возможно с применением подходов, развитых в сфере создания систем управления. Эти подходы, например, такие как Model-Based Design, Model-Driven Development [8], основаны на моделях создаваемых систем и приборов и заключаются в предварительной модельной проработке общесистемных, поведенческих аспектов на начальных этапах проектирования.
В отечественной литературе нет общепринятого перевода терминов «Model-Based Design», «Model-Driven Development». Встречается перевод «модельноориентированное проектирование» [9]. Оба термина обозначают процессы проектирования, разработки систем, приборов, устройств, опирающиеся на тщательное моделирование структур и взаимодействия узлов и элементов между собой и с внешними сущностями по критериям целевой функции создаваемых систем и устройств. Модели являются ключевыми, концептуальными категориями мышления, , -ботки. Фактически модели управляют всем процессом разработки приборов и осо-
- . « » -равданным; оно ставит смысловой акцент на разобщенность процесса проектирования и моделей (уместно провести аналогию с термином «объектно»,
).
« - », -.
Методика модельно-управляемого проектирования цифровых датчиков. В основе модельно-управляемого проектирования лежит принцип предварительной модельной проработки различных вопросов построения структуры и взаимодействия элементов структуры датчика на начальных стадиях разработки. Процесс модельно-управляемого проектирования ЦД можно представить алгоритмом, показанным на рис. 1.
Исходной информацией для модельно-управляемого проектирования служит
( ), -
стей и вносящих в них наибольший вклад ВВФ. По этим данным строится модель ИС ЧЭ в нормальных условиях и в условиях воздействия ВВФ и разрабатывается
( ). , , -точным вычислительным ресурсам цифровой части датчика - быстродействию и .
Рис. 1. Алгоритм модельно-управляемого проектирования ЦД
Тип ЧЭ определяет структуру и варианты конфигурации измерительного канала (ИК); модель ИС ЧЭ и модель вычислительного процесса задают структуру устройства цифровой обработки ИС и хранения параметров модели ИС; выбранный цифровой интерфейс передачи данных задает структуру устройства связи. В совокупности так формируются структурно-функциональная модель (СФМ) ЦД [10] и структурно-временная диаграмма (СВД) алгоритма работы ЦД [11]. Структурно-функциональная модель цифрового датчика отражает совокупность взаимосвязей между узлами ЦД, определяющих специфические свойства ЦД, и распределение узлов по функциям и пространству. Структурно-временная диаграмма показывает распределение вариантов конфигурации структуры измерительного канала и ЦД в целом во времени.
Из СФМ и СВД закономерно вытекают структурная 01) и функциональная (Э2) схемы ЦД; по функциональной схеме разрабатывается принципиальная (Э3) схема с перечнем элементов. Высокая степень интеграции современной элементной базы, особенно микросхем архитектуры «система-на-кристалле», нередко приводит к тому, что функциональная схема оказывается сложнее принципиальной. СВД, функциональная и принципиальная схемы, алгоритм коррекции погрешностей и протокол информационного взаимодействия ЦД с системой сбора измери-
тельной информации представляют собой исходные данные для проектирования ВПО ЦД. ВПО реализует операционную среду, в которой функционирует алгоритм коррекции погрешностей.
, -ципиальной схем и структуры ВПО невозможно; это неразрывные взаимосвязанные составляющие одного шага создания ЦД - реализации СФМ и СВ Д.
Функциональная и принципиальная схемы с перечнем элементов, а также АКП, реализованный в ВПО, служат основой для аналитического представления структуры , - , .
Эта формула нужна для анализа влияния отдельных составляющих на общую . , -ляющая, обусловленная погрешностью дискретизации. Дискретизация - оператор сжатия с потерей информации, отображающий континуальное множество значений аналоговых сигналов в конечное дискретное множество кодов аналогоцифрового преобразователя (АЦП). Разрядность АЦП определяет его разрешающую способность по входу и масштаб потерь информации при дискретизации. ,
разделять влияющие и не влияющие факторы, а также устанавливать и анализиро-
-
.
Модель измерительных сигналов ЧЭ, алгоритм коррекции погрешностей, СФМ и СВД, структурная и функциональная схемы ЦД, формула, выражающая функцию преобразования ЦД, и структура ВПО представляют собой взаимодополняющие уровни абстракции, которые служат для формирования целостного представления о ЦД на этапе проектирования.
Суть излагаемой методики заключается во встраивании модели внутрь датчика и в наличии обратной связи в алгоритме проектирования. Результаты моделирования и анализа погрешностей могут послужить основанием для изменения модели измерительных сигналов с последующими доработками СФМ, СВД и . , -вания цифровых датчиков.
В качестве примера на рис. 2 показана СФМ цифрового датчика разности давлений ДРЭ-003 с тензометрическим полупроводниковым ЧЭ.
I (итанис
моста
о
[2,1)'* ^'г4.-25. ■ 4(1,--. ]
ЭППЗУ
Рис. 2. СФМ ЦД разности давлений ДРЭ-003
Зависимость кода АЦП температуры от температуры имеет вид
2ЬЩ (г)
Nг , где Ь - разрядность АЦП, к - коэффициент усиления стабили-
Л + Щ (t)
затора напряжения питания тензомоста, Л - сопротивление верхнего плеча резистивного делителя напряжений, представляющего собой ЧЭ температуры, (г) -
, .
АЦП давления от давления и температуры имеет вид
ДЛ Е —
Ирг = 2 Ок------— (р,г) + 2 —0—, где О - коэффициент усиления операцион-
ЛВ иге—
АЛВ . ч
ного усилителя (ОУ), ----—(р,г) - зависимость относительного изменения сопро-
ЛВ
тивления тензомоста от давления и температуры, Е— - напряжение смещения ОУ, иге— - опорное напряжение. Исходя из этих зависимостей и АКП, получается следующая зависимость выходного кода от давления и температуры:
Nout = $Рипе (■#р,г “ а(^) - )()) + гНУ
Зависимость выходного напряжения датчика от выходного кода имеет вид NoutUrefk'
иоиг =--------------------------------------------------------------------------г-, гДе к' - коэффициент усиления стабилизатора выходного
2
.
Указанные зависимости содержат величины, задающие параметры работы отдельных узлов измерительного канала. Разрядность АЦП Ь ограничивает точность датчика значением 100*2 Ь,[%]. Так, для разрядностей 12, 14, 16 теоретически достижимая точность, обусловленная потерями информации при дискретизации, ограничена значениями 0,025 %, 0,006 %, 0,0015 % соответственно. Однако же практически достичь таких значений очень сложно из-за тепловых шумов элементов схемы и релаксации механических напряжений в конструкции датчика.
Коэффициенты усиления О, к, к' задаются одним-двумя резисторами. Сопротивления этих резисторов подвержены изменениям с изменением температуры и вносят в погрешность датчика дополнительные составляющие, которые практически невозможно скомпенсировать.
Были изготовлены опытные образцы спроектированного таким образом датчика. Основная погрешность составила величину около 0,1 %, температурная погрешность - около 0,2 %. В результате применения описанной методики при проектировании существенно сократилась длительность разработки датчика.
-
перспективной в разработке цифровых датчиков физических величин. Модель изме-, - -диаграмма представляют собой фундамент, систематизирующий и связывающий воедино все аппаратные узлы и программные компоненты цифровых датчиков. Модель встраивается в датчик и управляет всем процессом проектирования.
-
подход к проектированию, обусловленный эволюционным развитием элементной
базы, методик и инструментальных средств проектирования. Модельноуправляемое проектирование сокращает длительность разработки и повышает технические и эксплуатационные качества датчиков, а также позволяет оценивать возможности реализации и выбирать реализуемые варианты.
Цифровые датчики физических величин - основа цифровых систем телеметрии. При комплексном проектировании таких систем и входящих в их состав датчиков для проработки вопросов взаимодействия датчиков с системой и распределения функций по устройствам и времени целесообразно применение методики модельно-управляемого проектирования.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Земельман М.А. Автоматическая коррекция иогрешиостей измерительных устройств.
- М.: Изд-во стандартов, 1972. - 200 с.
2. Новиков В.Н., Чувыкин Б.В. Системы цифровой обработки измерительной информации и моделирование в датчикопреобразующей аппаратуре // Датчики и системы. - 2005.
- № 9. - С. 24-28.
3. Финкелстайн Л. Наука об измерениях: анализ состояния и направления развития // Датчики и системы. - 2010. - № 2. - С. 53-58.
4. Катков AM., Шахов Э.К. Интеллектуализация измерительных систем. Состояние во-
// - : - . . . . . / Под ред. профессора Е.А. Ломтева. - Вып. 33. - Пенза: ИИЦ ПензГУ, 2008. - С. 37-41.
5. . ., . ., . .
системах. - М.: Радио и связь, 1982. - 280 с.
6. De Micheli G., Gupta R.K. Hardware/Software co-design // Proceedings of IEEE. - Vol. 85,
№ 3. - P. 349-365.
7. . . - //
системы управления. - 1990. - № 4. - C. 4.
8. . . -лительной среды MATLAB/Simulink // Труды III науч. конф. «Проектирование инженерных и научных приложений в среде MATLAB». - СПб., 2007. - C. 1168-1171.
9. Деменков Н.П. Модельно-ориентированное проектирование систем управления // [Режим доступа] is.ifmo.ru/misc2/_matlab_simulink.pdf, дата обращения: 07.03.2011.
10. . ., . ., . . - -
// .
- 2005. - № 9. - C. 36-40.
11. . . // -темы. - 2005. - № 9. - C. 40-43.
. . ., . . .
Катков Алексей Николаевич
НИИ физических измерений.
E-mail: niifi@sura.ru.
440026, . , . , 8/10.
Тел.: +79603234925.
Katkov Alexej Nikolaevich
Research Institute of Physical Measurements.
E-mail: niifi@sura.ru.
8/10, Volodarskogo Street, Penza, 440026, Russia.
Phone: +79603234925.
