CC BY
84Модули технологических датчиков для распределенных систем сбора информации
Олег ЗАЙЦЕВ
zaitsev@smolen.ru Юрий ТРОИЦКИЙ
troicky@keytown.com
Рассматриваются аппаратно-программные средства для построения универсальных модулей для распределенных систем сбора информации с датчиков технологических параметров на базе однокристальных микроконверторов семейства ADuC8xx фирмы Analog Devices и семейства MSC12xx фирмы Texas Instruments.
Современное производство требует осуществления оперативного контроля большого количества технологических параметров, снимаемых с различных датчиков, которые могут быть разнесены на значительные расстояния и друг от друга, и от устройства сбора и обработки данных. Поскольку первичные чувствительные элементы (сенсоры) формируют выходные электрические сигналы довольно низкого уровня, для повышения помехозащищенности необходимо располагать модули первичной обработки сигналов в непосредственной близости от них. В качестве таких модулей можно использовать нормализаторы, преобразующие низкий уровень первичных сигналов в стандартные уровни токов (например, 4-20 мА) или непосредственно в кодовую последовательность. В последнем случае кроме аналого-цифрового преобразования модуль должен обеспечить требуемый протокол связи с использованием заданного физического интерфейса.
Появление интегрированных систем сбора информации, содержащих на одном кристалле прецизионные аналого-цифровые и цифро-аналоговые преобразователи, а также многофункциональный микроконтроллер, обеспечивающий возможность первичной обработки полученной информации и ее передачи по стандартным или специальным интерфейсам промышленной сети, значительно упростило создание универсальных модулей с расширенными функциональными возможностями. Наибольшую известность среди таких систем получили однокристальные прецизионные системы сбора данных (микроконверторы) семейства ADuC8xx фирмы Analog Devices [1] и семейства MSC12xx фирмы Texas Instruments [2]. Микросхемы этих серий включают в себя один или два 16- или 24-разрядных аналого-цифровых преобразователя с сигма-дельта модуляцией, цифро-аналоговые преобразователи, а также встроенный микроконтроллер
с ядром МС51 и расширенной периферией, которая обеспечивает широкие возможности организации различных способов обмена с внешними устройствами.
На базе микроконвертора Л0иС847 [3] на кафедре промышленной электроники СФ МЭИ разработаны экспериментальные образцы семейства интеллектуальных модулей МСХ_2005 для сбора распределенных систем сбора информации с технологических датчиков. Основными отличиями ЛБиС847 (так же как ЛБиС845 и ЛБиС848 ) от предыдущих серий ЛБиС812 и ЛБиС824 являются:
• увеличение до 62 кбайт резидентной флэш-памяти программ;
• увеличение до 2,304 байт резидентной памяти данных;
• увеличение до 4 кбайт внутренней ЕЕРИОМ;
• увеличение скорости обработки данных до 12,58 М1Р8 (большинство команд выполняется за один такт);
• увеличение скорости передачи данных по асинхронному каналу до 230 кбит в секунду;
• возможность увеличения частоты аналого-цифрового преобразования до 1365 Гц;
• увеличение числа каналов АЦП (до 5 дифференциальных входов в корпусе 56-С8Р или 8 — в корпусе 52MQFP).
Указанное число дифференциальных входов позволяет реализовать оба четырехканальных модуля без дополнительных внешних мультиплексоров при использовании микроконверторов в корпусе 56-С8Р.
В состав серии МСХ_2005 входят: модуль аналоговый универсальный МСИ_2005 и модуль аналоговый резистивный — МСИ_2005.
Модуль аналоговый универсальный МСU_2005
Модуль МСи_2005 предназначен для измерения температуры с помощью термопарных датчиков [4], а также напряжения и токов.
Источники внешних сигналов подключаются к клеммам Х1.1-Х1.2 ...( Х4.1-Х4.2) (рис. 1). При наличии экранной оплетки у сигнального кабеля он может быть подключен к клеммам Х1.3-Х4.3.
При подключении технологических датчиков в условиях промышленного производства большое значение приобретает защита схемы от импульсных помех, для чего широко используются защитные диоды УБ1, УБ2. Защитные диоды при импульсной помехе, превышающей напряжение пробоя УВИ, практически закорачивают входную цепь, пропуская через себя ток до сотен ампер в течение короткого времени (сотен микросекунд). При более длительной помехе успевают срабатывать твердотельные предохранители F1, F2.
Измеряемая с помощью термопар температура является функцией э. д. с. горячего спая Егс и э. д. с. холодного спая Ех с:
Т°С = F(Ег.с). (1)
Функция (1) является нелинейной и может быть аппроксимирована с помощью обратного степенного полинома:
Т °С = к0 + к1Ег.с +
+ к2Ег.с2 + ■■■•+ кп Ег.с”, (2)
где п — порядок полинома, который может достигать значения 14 и выше, в зависимости от характеристики термопары и требуемой точности линеаризации.
Для снижения степени полинома при заданной погрешности всю характеристику термопары разбивают на участки, для которых вычисляют свой полином.
Поскольку с выхода термопары снимается разность э. д. с. (ДЕ) горячего (Егс) и холодного (Ехс) спаев (ДЕ = Егс- Ехс), в модуль для измерения температуры холодного спая термопары введен термометр 002 — 0818820 фирмы Мах1ш с точностью измерения 0,5 °С в диапазоне -55...+ 125 °С.
Рис. 1. Входные цепи модуля И^_2005
Использование встроенного термометра микроконвертора ЛЭиС847 оказалось невозможным из-за недопустимо высокой погрешности измерения. Погрешность определяется тем, что встроенный термометр измеряет не температуру холодного спая, а температуру подложки микросхемы, которая может отличаться от температуры окружающей среды на 10 °С и более. В условиях работы микроконтроллера в распределенной информационной системе, требующих постоянной готовности устройства к обмену информацией с центральным контроллером, невозможно снизить разогрев кристалла активным использованием режима энергосбережения.
Для вычисления Ех.с. по значению Тх.с. используют прямой степенной полином:
Ехс = ^ + ^Т + d2 Т2 + —+ dn Тп. (3)
Преобразования по формуле (3) производятся в узком температурном диапазоне, определяемом условиями работы модуля Т = (-40.. .+60 °С), что позволяет снизить порядок полинома. Однако для этого диапазона, как правило, не годятся значения многих справочных коэффициентов разложения di.
Алгоритм вычисления температуры объекта с помощью термопары сводится к следующему:
• измеряется э. д. с. с выхода термопары
ДЕ = Ег.с- Eх.с,
• измеряется температура окружающей среды Т с помощью цифрового термометра,
• по формуле (3) рассчитывается значение Е,
^х.с’
• вычисляется:
Ег.с = Ех.с + ДЕ, (4)
• по формуле (2) вычисляется значение температуры объекта Т °С.
Программное обеспечение микроконвертора обеспечивает выполнение указанного алгоритма для всех стандартных типов термопар: В, Е, I, К, И, 8, Т.
Модуль аналоговый резистивный — МСR_2005
Модуль МСИ_2005 предназначен для измерения температуры с помощью медных или платиновых терморезисторов. Он может также использоваться для измерения других параметров, связанных с измерением приращения сопротивления датчика, например давления [5].
Терморезисторы подключаются к клеммам Х1.1-Х1.4 ...(Х4.1-Х4.4) по 4-проводной схеме включения. Для обеспечения 3-проводной схемы включения необходимо замкнуть клеммы Х1.1, Х1.2, а для 2-проводной — также Х1.3, Х1.4.
Резисторы И1 = Иоп, ТИ и И2 образуют измерительную цепь (рис. 2). Токи внутренних источников микроконвертора 1ЕХС1 (11) и 1ЕХС2 (12) создают на резисторе И1 падение напряжения:
UREF = ИопХ(И+12). (5)
используется в качестве опорного напряжения для АЦП. На входы АЦП подается сигнал, снимаемый с терморезистора ТИ:
ита= (11+12)хТИ =
= NiХUREF/ 2п = NiХUREF/Nшax, (6)
где п — разрядность АЦП, Ni — код, соответствующий значению ити, Ышах — код полной шкалы АЦП.
Подставляя в (6) значение и^ из (5), получим:
(11+12)хТИ = NiХRоПx(I1+I2)/Nшax
или "Ш = NixRопx/Nшax, (7)
то есть результат преобразования АЦП не зависит от нестабильности тока (11+12), а лишь от точности сопротивления резистора Rоп.
Резистор R2 обеспечивает сдвиг синфазного сигнала на величину: исф = R2x(I1+I2) = = 252 мВ, что обеспечивает преобразование малых сигналов (<100 мВ).
Для медных терморезисторов зависимость приращения сопротивления ДTR от температуры Т °С носит линейный характер:
ДТК = аТЩ0) Т °С, (8)
где а — температурный коэффициент терморезистора (для меди а лежит в пределах 4,26 10-3. 4,52 10-3 °С-1 в зависимости от типа терморезистора, а ТR(0) — значение сопротивления терморезистора при нулевой температуре).
С учетом выражения (7) следует:
Т°С = КопОД- ад/а^шах, (9)
где N0 — код преобразования АЦП, соответствующий значению ТR(0), записываемый при калибровке в память EEPROM микроконвертора.
Для платиновых терморезисторов зависимость сопротивления от температуры ТR = F(T) нелинейна и чаще всего представляется двумя полиномами.
Для диапазона -200.0 °С:
ТR =ТЩ0)(1+ЛхТ+ВхТ2+
+С (Т-100)хТ3). (10)
Для диапазона 0.+850 °С:
ТБ. = ТЩ0)(1+ЛхТ+ВхТ2). (11)
Коэффициенты имеют следующую величину:
• А = 3,9083х10-3°С-1,
• В = -5,775х10-7°С-1,
• С = -4,183х10-12°С-1.
Решая (10) как квадратное уравнение, получим:
Т = -Ш(0)хЛ+[(Ш(0)хЛ)2 -4 Ш(0)хВх х( Ri(0)-Ri(t))]1/2/2 Ri(0)xB• (12)
Уравнение (12) позволяет вычислить значение температуры только для положительного диапазона.
ї1' ЛГГрґ*ГЬ4НІ-і1 «И Г і-в'йВЧТ-Тії .1 -і-и і.-
.
і)
Я ПНІ. ГИГНИ-*- Iі" Р'і]
1ІДШЛШЧ Грек**» І
іЛ - ЦДЯЛ<ІЛЛ]41ї:ЛХиХ
лі - гг і?тїпі,сьтг?і
рї?і-и:вд
_1 ■ ї ЖКҐ.'ЖЬЛКП
гА -^ЇЇТНітїГЇІЇЧҐЇ
гі - 1іа&м7ЇЙАШ
■ ивдтійшігн
О 1 йг+ЧТЙ 17-47ГК
ьЛ ■ 1 ГііЗДЬЛІЛ«£П
■ '1 -Г| ГТ “ 1 "Ь:." ■ ї 11
ойі -'ПРАЧІ НРЙЙМДО?!
■12 - инл-с: Аі;.!±1-141
■ 1 1 ,ШИ тл-гл-г-і
£.'■ і - ііЬ з * -і: інд а ъь і
11ГЫ4ЛШҐҐІЯГг-іі^вЬ'»№ іТ.ҐІІ“Т-1ЧЧ4ІЇ!>7Л(,^:: ,1ГЬ“Пі"г*і1ГіГЧ1и\ 1.І ІҐІ. V ?
111'ІІШ «.V и 1 пшП№ =аіДЧ2зТ:¥І ТІ-Л111 ь
:рлі- ■ '■ _■ і^-и-лі гіик1
Рис. 3. Окно программы линеаризации характеристики датчиков степенными полиномами
Более универсальным подходом является представление степенным полиномом обратной функции Т = ф(ТЯ).
Т = d0+d1ТR+d2(ТR)2+...+dn(ТR)n. (13)
Все процедуры первичной обработки полученной с первичных датчиков информации выполняются микроконтроллером с ядром МС51, встроенным в микроконвертор с объемом встроенной флэш-памяти до 62 кбайт. Возможности микроконтроллера значительно расширяются за счет наличия энергонезависимой памяти данных (EEPROM). Двухсторонняя связь с центральным контроллером (ЭВМ) осуществляется по помехозащищенному интерфейсу RS-485.
Как показано выше, одной из основных процедур обработки первичной информации является процедура линеаризации характеристик используемых сенсоров. Для стандартных термопар в справочных данных можно найти рекомендуемые значения коэффициентов по-линоминального разложения. Однако эти коэффициенты не всегда обеспечивают требуемую точность аппроксимации функции во всем используемом диапазоне. Кроме того, могут использоваться термопары, для которых отсутствуют справочные данные, или может возникнуть задача использования другого типа датчика, например термистора, датчика давления, влажности и т. д. В связи с этим в комплект программного обеспечения входит программа вычисления коэффициентов линеаризации характеристик используемых датчиков (рис. 3). Причем для ряда стандартных сенсоров (термопары типа В, 1, К, R, S, Т, платиновые терморезисторы) коэффициенты вносятся в память программ изготовителем модулей; для дополнительных датчиков потребитель может рассчитать по табличным зависимостям коэффициенты линеаризации, обеспечивающие требуемую точность аппрок-
симации. Полученные коэффициенты заносятся потребителем при согласовании со своими метрологическими службами.
Табличная зависимость «ЭДС-температу-ра» аппроксимируется полиномами 12-15 степени. Однако вычисление коэффициентов данного полинома численными методами в ряде случаев является неустойчивой задачей, что затрудняет подготовку коэффициентов полинома пользователем. Кроме того, погрешность подобной аппроксимации достаточно высока, что влияет на точность измерения в целом. В случае использования полинома применяется два полинома — для положительных и отрицательных ЭДС. Для хранения коэффициентов полиномов 12-й степени требуется 4x13x2 = 104 байта памяти, что является достоинством данного метода.
Другим способом линеаризации характеристик датчиков, входящим в ПО модуля,
является метод кусочно-линейной аппроксимации, который состоит в замене аппроксимируемой кривой множеством отрезков прямых. Точность аппроксимации зависит от количества отрезков и методики выбора их длины. Достоинством метода является возможность вычисления средней и максимальной погрешности аппроксимации на каждом из отрезков, что позволяет производить аппроксимацию автоматически, варьируя длину каждого отрезка и количество отрезков, исходя из заданной погрешности и характера аппроксимируемой характеристики. Практика показала, что, используя 64 отрезка, можно аппроксимировать табличную зависимость термопары любого типа на всем диапазоне рабочих температур. Для описания одного отрезка требуется 12 байт, соответственно для хранения всех отрезков требуется 768 байт EEPROM. Для большинства термопар можно обойтись меньшим количеством отрезков, что позволяет сократить объем памяти до 300-500 байт. Например, для термопары типа Т достаточно всего 32 отрезков для получения максимальной погрешности менее 0,1° и средней погрешности менее 0,05°.
Аппроксимация табличной зависимости при помощи кусочно-линейной аппроксимации является устойчивой задачей, может решаться автоматически и позволяет достигать заданной точности с минимизацией количества отрезков. По сравнению с аппроксимацией степенными полиномами кусочно-линейная аппроксимация (рис. 4) обеспечивает более высокую скорость вычисления (вместо 25 операций умножения и 13 операций сложения с плавающей запятой в случае применения полинома при кусочно-линейной аппроксимации используются только одна операция сложения и одна операция умножения и до 64 операций сравнения).
В состав ПО входит целый комплекс программных модулей, обеспечивающих программирование микроконтроллеров и отлад-
|Пь І-Зл 4Сі| ... ЇІШ —=■ і 1-й і 1-і А--: ■ 0.,йчГС-НШЗ^
ІЗАЕ із/»:) . (2В4 і-4, и.4[ —N га:- з-іиаз&итіїа Ъллх -із, і>: і:" ш 7 і:т34 і:!]
і:лі и,.ьи;і .. (заз 15>43Е| —> 2Р4 с-.т, г-аі^таїшпи 1ш «і, тч с ; й :н і-і2 іоса.-і
1Ї..ОІО ■ (312 її, —^ 303 Ь-17,11А££5ТО.Ш115 І:: з: -ІЗ, йП40і;»ЗіЗСВД?.2ї
ріг і.?. кг} . (321 1£..40Е|! -о ІІ.2 Ь-іТ. ЕЦ.ЗЭ:ЗЭ.1Д4ЯЗ.<в5 }зи -а. алзії^іетиїзсп;
1311 1 Є. ОТІЇ . 1Ё С2 1! ■ з: з і- мян-зетмя І -а. оі5ага-штпім.-я»
ІЗ 3& 1Й-.М1Л . сзтз п. зет: „■ зм ь і*. кгігзеземгі ф. аз-з?етзтіт№»
ІЗТР І.Т.З¥7Ї . 1Т. В И і эта ч і«. еттмтячетзет 1т к"пгзита:'іг-ззз
ІИВ ІТ* р.тч;. Сі>т гэити* “ “5 ■3ИВ і.- Э*. 5^1№ГЧВДГСТЇ їй» "Р. РЗІЛПКНПЗВЗЇК
ІШ Ії^Т-ч^ . (ЧАК -о ччт Ь РФ, 41 Т.'М ЧМІрОІ'іЧ !■■■ ІІа.І,І13Н + ЧІСЛ'НЧКЬЛ"<
|3 Ьр іхл-ть;і . «■'.№ --1 НАЬ її ИА, ЗЧП-ЧЧХІМІЧІІГІ ■ ті КР ІТХЮСчАА.4 КІ ->"1
|ГІЬ т¥л:іха.> . (1НЧ Т+ЛНКЬ[ -—■> Н'№ її- ял, зіч інач-іан:-:-і ■ кі> -11Р1П АА1Н 41 ч: 1КАМ- гь
|ЇН* і у, >н к;і . (34 І ЯІ^Ч-І —V к-і ь^хч-ачн гхінімн ш - ілі пхдньдзям Гічпч
|ІЧЗ ИІ.,4-41 . . І-ЧІІІ ІІЇРІЇ ІЗ | —V . г-т. і к* і ьі ь і її и ч-: і-і.'ь'і’ ЧІЬ< -
р лт г ь-чл ка г гт-тг-ь'-ч_ пкнрпдняялн! Гі-.тиикп і )лй? г|-а
Ииспилтгй ЗД: ■ іЭ.С7і Іквнтягі ВД: * -З^йіЗ
Прч^іеаПііі шц|
Рис. 4. Окно программы кусочно-линейной линеаризации характеристики датчиков
Рис. 5. Окно модуля контроля выполнения команд протокола обмена
Рис. 6. Главное окно программы в режиме калибровки и программирования
ку модулей сбора информации в условиях производства и метрологической аттестации и периодического контроля в условиях эксплуатации.
Комплекс содержит следующие модули:
1.1. Модуль для загрузки программы во флэш-память ОМК с контролем успешности загрузки.
1.2. Модуль контроля работоспособности ОМК — для проверки реакции устройства на все обязательные команды протокола обмена (рис. 5).
1.3. Модуль контроля работы устройства в любом режиме — для установки указанного оператором режима работы и отображения результатов измерения (рис. 6).
1.4. Модуль проведения процесса калибровки устройства. Он представляет собой пошаговый процесс, который предполагает настройку устройства на калибруемый режим измерения, запрос у пользователя о подаче калибровочного сигнала на калибруемый вход, опрос устройства и вычисление калибровочных коэффициентов. Рассчитанные коэффициенты передаются устройству, после чего производится проверка успешности и качества калибровки.
1.5. Модуль проведения поверки устройства — отличается от 1.4 тем, что вместо вычисления и записи калибровочных коэффициентов рассчитывается погрешность измерения.
1.6. Модуль формирования протоколов с результатами тестирования и калибровки.
В заключение отметим, что именно применение однокристальных систем сбора информации, обеспечивающих высокие метрологические характеристики аналого-цифрового преобразования малых уровней электрических сигналов в сочетании с комплектом пакетов программного обеспечения, позволило создать семейство высокоточных технологических модулей для контроля самых различных физических параметров. ■
Литература
1. w ww.analog.c om
2. Редькин П. П. Прецизионные системы сбора данных семейства MSC12xx Texas Instruments: архитектура, программирование, разработка приложений. М.: Додэка-ХХ1, 2006.
3. Зайцев О., Троицкий Ю. Однокристальные микроконверторы семейства ADuC83xx b и ADuC84xx // Электронные компоненты. 2005. № 1.
4. Зайцев О. В., Синько С. Н., Троицкий Ю. В. Метрологические особенности систем сбора информации с температурных датчиков на базе микроконтроллеров ADuC8xx // Схемотехника.
2005. № 9.
5. Смирнова О., Троицкий Ю. Интеллектуальные датчики давления //Компоненты и технологии.
2006. № 7.
