CC BY
49
ПРИБОРОСТРОЕНИЕ И ЭЛЕКТРОНИКА
УДК 681.3.06; 681.12 А. Б. ВИНОГРАДОВ
РАЗРАБОТКА ТЕПЛОВЫЧИСЛИТЕЛЯ НА БАЗЕ МИКРОКОНТРОЛЛЕРА AYR
Рассмотрены вопросы проектирования микропроцессорных устройств на базе микроконтроллеров ЛУК и описывается вычислитель количества теплоты.
С появлением микроконтроллера (МК) AVR в 1997 году стало возможным значительно сокращать сроки проектирования измерительных и других устройств. Семейство AVR насчитывает несколько десятков МК, состоящих из практически одинаковых аппаратных блоков, объединенных в различных вариантах. Основные блоки: ОЗУ емкостью до 4 кбайт, Flash ПЗУ емкостью до 128 кбайт, Flash ПЗУ данных емкостью до 4 кбайт, программируемый сторожевой таймер, часы реального времени с внешним кварцевым резонатором 32 кГц, встроенный тактовый генератор частотой до 8 МГц, JTAG для отладки программного кода и программирования ПЗУ, контроллеры интерфейсов I2C, SPI, USART (до двух в одном МК), до двух 8-разрядных и двух 16-разрядных таймеров на МК, 10-разрядный АЦП (до 11 каналов на МК), компаратор, программируемый усилитель, источник опорного напряжения, аппаратный перемножитель 8x8, контроллер изменения состояний входов, до восьми каналов широтно-импульсного модулятора, контроллер жидко-кристаллического индикатора (ЖКИ) 25x4 сегментов. Высокие характеристики МК обеспечиваются следующими особенностями архитектуры:
- программирование ПЗУ через интерфейс SPI непосредственно в системе;
- система команд насчитывает от 90 до 133 инструкции;
- два указателя данных позволяют за один такт выполнять одну команду и выбирать из ПЗУ следующую;
- в адресном пространстве выделены 32 регистра общего назначения, подключенные непосредственно к АЛУ, что позволяет организовывать хранение переменных и доступ к ним без дополнительных затрат времени;
- возможно использование внешнего ОЗУ емкостью до 64 кбайт;
- тактовая частота по сведениям фирмы изготовителя Atmel достигает 16 МГц, по другим данным -20 МГц;
- до 20 источников прерываний (до 8 - внешних);
- до 53 программируемых выводов;
- питание от 1,8 до 5,5 В;
- корпус МК насчитывает от 8 до 64 выводов;
- ориентировочная цена на российском рынке от $0,7 до S8,5.
Микроконтроллеры AVR создавались специально для использования совместно с компиляторами языков высокого уровня. Проектирование аппаратной части значительно упрощено благодаря большому числу встроенной в МК периферии, которая может программным путем включаться в работу. Политика фирмы-изготовителя в области поддержки процесса проектирования весьма привлекательна. Для разработки программного обеспечения (ПО) как минимум необходима интегрированная отладочная среда AVR Studio, предоставляемая бесплатно, и макет с установленным МК. Т. к. число циклов перезаписи ПЗУ превышает 10 тыс., то становиться возможным для отладки ПО использовать стенды с впаянными МК и разъемами, на которые выведены все выводы МК. Такие стенды предлагаются многими фирмами и могут быть изготовлены самостоятельно.
Наименьшее время разработки ПО достигается за счет использования компиляторов языков высокого уровня. Существуют компиляторы языков Паскаль, Бейсик и Си. Автор в своей работе использует компилятор Си ICC AVR фирмы Image Craft, отличающийся от других наличием полнофункциональной демонстрационной версией со сроком работы 45 дней, низкой стоимостью профессиональной версии компилятора, возможностью отладки кода на языках Си и ассемблере в AVR Studio. Процесс проектирования ПО представлен на рис. 1.
Рис. 1. Процесс проектирования и отладки ПО
Использование компиляторов языков высокого уровня позволяет использовать обширные библиотеки кодов, поставляемых вместе с ними, что значительно сокращает сроки разработки.
Общие затраты на программно-технический комплекс для написания и отладки ПО на языке Си не превышают 10 тыс. руб. Если учесть, что эти затраты относятся к нескольким проектам, скажем, к десяти, то можно понять, почему AVR потеснили другие микроконтроллеры.
На кафедре измерительно-вычислительных комплексов УлГТУ в результате тесного сотрудничества с ООО «Тисса» (г. Ульяновск) был разработан тепло-вычислитель (ТВ) для коммерческого применения. ТВ предназначен для измерения pi регистрации параметров теплоносителя (расхода, объема, массы, температуры, давления, их средних и итоговых значений), времени работы и количества теплоты (тепловой энергии) при контроле и учете в водяных системах потребителей тепловой энергии. Принцип действия ТВ основан на преобразовании сигналов, поступающих от измерительных преобразователей, в информацию об измеряемых параметрах теплоносителя с последующим вычислением значения тепловой энергии и индикации полученных данных на жидкокристаллическом индикаторе (ЖКИ). Прибор соответствует «Правилам учета тепловой энергии и теплоносителя», стандарту EN 1434 ЕС, рекомендациям Р75 МОЗМ и МИ 2412-97. Плотность и энтальпия воды вычисляются согласно ГСССД 98-89.
ТВ построен на основе микроконтроллера семейства AVR фирмы Atmel (рис. 2) и обеспечивает измерение следующих электрических величин:
- силы тока в диапазоне 4-20 мА, для двух каналов измерения избыточного давления с погрешностью не хуже ±0,1 % по ГОСТ 26.011-80;
- частоты в диапазоне 0 - 2500 Гц (количества импульсов с частотой следования 0 - 200 Гц), для четырех каналов измерения объемного расхода с погрешностью не хуже ±0,1 % ГОСТ 26.010-80;
- сопротивления 20 - 200 Ом, для четырех каналов измерения температуры с погрешностью не хуже ±0,1 % по ГОСТ Р 50353-92.
Число измерительных каналов может быть произвольно увеличено при небольшой доработке программного обеспечения прибора.
Вычисление рабочих параметров производится с относительной погрешностью: массового расхода -±0,2 %, тепловой мощности - ±0,2 %; накопленной массы (интегрирование массового расхода во времени) - ±0,2 %; тепловой энергии (потребленное тепло) - ±0,2 %. Прибор производит измерение реального времени с точностью не хуже ±0,005 %.
Средние и суммарные значения измеряемых и вычисляемых параметров, а также диагностические сообщения заносятся в энергонезависимые архивы различной глубины: часовые архивы - 45 суток, су-
точные архивы - 6 месяцев, месячные архивы - 4 года.
Все архивы могут быть выведены с помощью простой процедуры на ЖКИ, принтер, устройство переноса данных или непосредственно в персональный компьютер через интерфейс ЯБ232 или посредством модемной связи без применения дополнительных согласующих устройств.
ТВ может работать в сети с помощью внешнего преобразователя интерфейса 118232-118485. Прибор имеет встроенный календарь и часы реального времени с автоматическим учетом летнего и зимнего времени.
В рабочем режиме на индикатор прибора можно вывести следующие параметры:
- мгновенные массовые расходы по измеряемым каналам [т/ч];
- мгновенное значение давление теплоносителя по измеряемым каналам [кгс/см2];
- мгновенное значение температуры теплоносителя по измеряемым каналам;
- масса теплоносителя, прошедшая по контролируемым трубопроводам с определенного момента [т];
- баланс масс теплоносителя по отдельному потребителю [т];
- тепловая энергия теплоносителя, прошедшего по контролируемым трубопроводам с определенного момента [Гкал];
- теплопотребление (разность) по потребителям [Гкал];
- текущая дата и время.
В режиме просмотра архивных параметров:
- масса теплоносителя, прошедшая по каждому из контролируемых трубопроводов за час [т];
- баланс массы по контролируемым трубопроводам за час [т];
- тепловая энергия, прошедшая по трубопроводам за час [Гкал]; '
- теплопотребление (разность тепловой энергии) по потребителям за час [Гкал];
- среднечасовое давление теплоносителя в тру-
л
бопроводах за час [кгс/см ];
- среднечасовая температура теплоносителя в трубопроводах за час.
Кроме этого можно просмотреть служебные данные (серийный номер прибора, версия программного обеспечения, идентификационный сетевой номер, дата и время последнего пуска прибора и последней очистки архивов).
ТВ является устройством, программируемым пользователем при его первоначальном запуске. Для облегчения программирования в приборе предусмотрена возможность работы не только со встроенной клавиатурой (4 кнопки), но также с внешней клавиатурой с 101 клавишей. Наиболее привлекательным является программирование прибора с помощью персонального компьютера, что позволяет полностью исключить ошибки и сократить временные затраты (табл. 1).
2 канала изм тока 4.-20 мА "Давление" _
4 канала изм частоты "Объем расход'
4 канала изм.
сопротивления
"Температура"
Микроконтроллер ATrr.egal 28L
128кВ ПЗУ программ
Фильтр 2 16-'/» раза
1 счетчик
4кБ ОЗУ
и
Кнопки управл
Тепловычислитель
4кБ ПЗУ данных
Часы реальн.
времени.
календарь
Строжевой таймер
i__
ЖКИ 2 стр 16 символ.
512 кБ ПЗУ данных
и
Драйвер RS232 или USB
Интерфейс
клавиатуры
PS/2
Принтер
ПК
Устройство
переноса
данных
Клавиатура
персонального
компьютера
Рис. 2. Структура тепловычислителя Сравнение вариантов программирования тепловычислителя
Таблица 1
Вариант программирования Недостатюгварианта Достоинства варианта
Использование встроенной клавиатуры Большое время программирования из-за ошибок - от 10 до 25 минут Не нужны дополнительные средства
Использование внешней клавиатуры Требуется дополнительная клавиатура с 101 клавишей (например, Keyboard Win95 PS/2) стоимостью 100 рублей Время программирования 5-10 минут. Практически исключены ошибки
Использование персонального компьютера Требуется переносной компьютер с операционной системой WindowsXX Время программирования 4-7 минут. Практически исключены ошибки за счет наглядности
Последний вариант привлекателен еще и тем, что позволяет в одной компьютерной программе совместить и наглядное программирование прибора, и работу с его архивами, и поверку.
Благодаря использованию микроконтроллера АУЯ, интегрирующего всю необходимую периферию, схема ТВ состоит всего из 5 микросхем, размещенных на печатной плате 85x80 мм. Корпус ТВ имеет размеры 110x85x55 мм. Проведенная работа
показала высокую эффективность процесса проектирования устройств на основе микроконтроллеров АУЯ и высокое качество получаемых решений. Описанный тепловычислитель проходит сертификацию.
Виноградов Александр Борисович, кандидат технических наук, доцент кафедры «Измерительно-вычислительные комплексы» (ИВК) УлГТУ.
УДК 681.327
С. К. КИСЕЛЕВ, Д. Г. ШАБАЕВ
АЛГОРИТМЫ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ПОКАЗАНИЙ ПРОФИЛЬНЫХ ПРИБОРОВ
Рассмотрены алгоритмы подготовки изображений искал и определения показаний профильных приборов, учитывающие искажения шкалы на изображении при оптическом считывании. Результаты предназначены для автоматизации поверки стрелочных электроизмерительных приборов с профильными шкалами.
В настоящее время известно большое количество способов автоматической поверки стрелочных электроизмерительных приборов (СЭП) и устройств для их реализации [1]. Однако все они ориентированы на стрелочные приборы обычной конструкции с квадратным наличником. В то же время, если проанализировать, например, продукцию ОАО «Элек-
троприбор» г. Чебоксары - одного из лидеров в области производства аналоговых электроизмерительных приборов в России, - то данным предприятием массово выпускается около 90 вариантов приборов с профильными шкалами, автоматизация поверки которых также необходима.
