Современные программные средства связи микроконтроллера с компьютером по интерфейсу RS-232 Текст научной статьи по специальности «Электротехника, электронная техника, информационные технологии»

Окончание. Начало в № 6'2006

Алексей КУЗЬМИНОВ

[email protected]

Современные программные средства связи

микроконтроллера с компьютером по интерфейсу [?8232

5. Компьютерные системы сбора и обработки информации, поступающей сдатчиков аналоговых, частотных и дискретных сигналов на базе 51-совместимых однокристальных микроконтроллеров

5.1. Краткое описание

Система (рис. 15) предназначена для предварительной обработки и ввода в компьютер сигналов с датчиков аналоговых (ток или напряжение), частотных (частота, количество импульсов) и дискретных (включено или выключено) сигналов.

Система состоит из компьютера, устройства сбора, предварительной обработки и ввода в компьютер показаний датчиков — устройства сопряжения с объектом (УСО), атак-же программного обеспечения.

УСО — прибор в корпусе, который подключается к компьютеру через стандартный интерфейс RS232 (последовательный порт COM1 или COM2). Это устройство гальванически развязано от компьютера с помощью оптронных развязок на пробивное напряжение до 1500 В.

Удаление прибора от компьютера может достигать нескольких десятков метров и более в зависимости от скорости обмена информацией.

Прибор оснащен 16 разъемами, к которым подключаются кабели от 8 аналоговых и от 8 частотных датчиков, а также разъемом, к которому подключаются дискретные сигналы.

УСО является специализированным микрокомпьютером на базе микроконтроллера АТ89S8252 (компании Atmel) с сопряженны-

ми с ним 8-канальным коммутатором каналов от Analog Devices и одноканальным 24-разрядным (используется 16 разрядов) сигма-дельта AЦП ADS1210 от Burr-Brown (TI).

Микроконтроллер позволяет предварительно обрабатывать входную информацию и передавать ее в компьютер, где производится окончательная обработка и распечатка измеренных данных на экране или принтере.

Программы работают в оконном режиме (меню), поддерживается «мышь». Операционные системы, в которых работает устройство, — MS-DOS или Windows'98/XP.

5.2. Назначение и область использования Система сбора и обработки может найти применение в самых разнообразных отраслях науки, техники и производства:

1. Автоматизированная градуировка, калибровка и поверка расходомеров и счетчиков объема жидкостей и газов, а также теплосчетчиков.

2. Автоматизированный ввод в компьютер показаний датчиков температуры и давления.

3. Автоматизированный ввод в компьютер показаний датчиков, измеряющих гидродинамические параметры турбулентных потоков: скорости, давления, сил и т. п. (микровертушки, тензо- и термодатчики и т. д.), которые используются в научных исследованиях.

4. Вибродиагностика.

5. Медицина (автоматизированный ввод в компьютер показаний с датчиков, измеряющих медико-биологические параметры человека: частоту дыхания и сердечных сокращений, кровяное давление, биотоки мозга и т. п.).

5.3. Технические характеристики

Диапазон аналоговых сигналов напряжение 0...+5 В (ток 4-20 мА)

Погрешность измерения аналогового сигнала ± 0,0005 В

Количество аналоговых сигналов 8

Диапазон частотных сигналов частота 0,1-10 000 Гц, количество импульсов 1-65 536

Интервал времени измерения 0,05-3000 с

Количество частотных каналов 8

Количество дискретных сигналов вывода — 1, ввода — 1

Скорость обмена информацией с компьютером 9600 и 115 200 бод

Габариты системы 30x20x8 см (корпус от выносного привода CD к компьютеру notebook), 40x60x9,5 см (компьютерный корпус Slim), 40x60x8 (корпус Super Slim), 40x60x7,5 (корпус Work Station)

Питание системы 220 В, 15 Вт

Удаление от компьютера десятки метров и более

5.4. Технико-экономическая эффективность

Данная система на несколько порядков увеличивает точность измерений и сокращает время обработки информации (если сравнивать с ручной обработкой или с ручным вводом в компьютер и компьютерной обработкой), так как в ее состав входит микроконтроллер, производящий предварительную обработку. В ряде случаев система сбора является единственно возможным средством измерений и обработки их результатов и не имеет альтернативы.

5.5. Сведения об использовании систем в организациях

Системы сбора и обработки (в различных модификациях) работают на московских предприятиях — заводе «Водоприбор» (водяная система), в АО «Моспромгаз» (газовая система), ООО «НПФ КИП-контроль», (газовая система), а также на Белгородском заводе расходомеров (две газовых системы), в городах Салават, Уфа, Рязань (водяные системы), Тула и Брянск (газовые системы) и др.

5.6. Внешний вид окон, открывающихся в процессе работы программы поверки счетчиков объема газа (DOS)

На рис. 16 показан общий вид окон при использовании программы поверки счетчиков объема газа. Эта программа написана на Clarion v.3.101 с использованием графического интерфейса пользователя (Graphic User

Датчик Датчик Датчик Датчик Аналог № 1 Аналог № 8 Част № 1 Част № 8(16)

Рис. 15. Блок-схема системы сбора

■ -—-г г-* П " 1 І - - ■ ■

: і! £ * «ч * т, 1* '-SL 14 1 11 ІнШ : ■ !! ™ II Wil It Sri і -ш 1« і а ■1 1 н Ч ИМ t ЩИ. Г IV JJJHM и п ■я л ял

: її:й ! б-я 1 lrV: Г* 1 НІ 5= i шс 1« т ч Піп-♦.Ий f іія: ч цу, [* ни п п пжё -і тл

■ КНІИ і tMWl l.WHHi

■ НІМІЇ

• !і Hi!! 1.1114441

• ІИ _M Я HI*!

■ 14*1

■ •■НМ

¡sr

EaSS !=3 хщ

441

BSfip

А-.Ч —n*J

Тни PPL! Г Fi

IfeMllf-ApnC

■ ш m ти ■» ш

H

Рис. 16. Некоторые окна, открывающиеся в программе поверки счетчиков объема (ОС DOS):

а) общий вид меню программы; б) выбор типа поверяемого прибора; в) ввод электрических параметров датчиков;

г) выбор необходимого сопла для поверки; д) выбор режимов измерения; е) настройка расхода (экран видно издалека);

ж) процесс измерений; з) тест системы сбора; и) «Прибор годен» (погрешность в заданных границах);

к) распечатка графика на бумаге

W—- ,

^ МЙИІ 1-І і» 1 ції а

€ тт

•

* гаві / tmntu

» вн

Ы

і И ¿'і -

ІІ.ІІІІі. *

wlWT (IR ПШГ ¡ИИ 4»Г Ні!

яЫ

В

Рис. 17. Среда работы — Wmdows’98 SE2, язык программирования — Оэгюп v.6.0:

а) окно ввода параметров порта связи (порт — COM1, скорость обмена информацией с компьютером — 9600 бод) и времени измерения (10 секунд).

Окно показано перед нажатием кнопки «Запуск»;

б) окно вывода результатов измерений (показано в процессе измерений, кнопки «Выход» и «Продолжить» заблокированы до их окончания)

Interface — GUI3) и работает в ОС DOS. На рис. 16 также можно увидеть окно, где выводится информация при работе тестовой программы, применяемой для поверки самой системы РосТестом (см. окно с подписью «Тест системы сбора»). Аналогичное окно выводится на экран при поставке базового варианта программного обеспечения системы сбора.

И

щ л » ЙІ С і т « п і г h I * *»# 4» И ■ ■ і

І І * . t *г M' '#

xS

и

Рис. 18. Среда работы — Wmdows’XP SP2, язык программирования — Оэгюп v.6.0:

а) окно ввода параметров порта связи (порт — COM2, скорость обмена информацией с компьютером —

115 200 бод) и времени измерения (10 секунд).

Окно показано перед нажатием кнопки «Запуск»;

б) окно вывода результатов измерений

(показано после окончания измерений, кнопки «Выход» и «Продолжить» доступны)

Рис. 19. Система сбора для поверки газовых счетчиков в ООО «НПФ КИП-контроль» (Москва). Стрелками показано УСО в компьютерном корпусе типа Slim. Эксплуатируется с 2000 г.

5.7. Примеры работы комплекта программ систем сбора на базе микроконтроллера АТ89С51 и АЦП ADS1210 в ОС Windows’98/XP

На рис. 17 показан общий вид окон при работе базового комплекта программ (тестовый режим), работающих в ОС Windows’98, а на рис. 18 — при работе в ОС Windows’XP.

5.8. Фотографии систем сбора

На рис. 19 показана система сбора для поверки газовых счетчиков в ООО «НПФ КИП-контроль» (Москва). Стрелками показано УСО в компьютерном корпусе типа Slim. Система эксплуатируется с 2000 года по настоящее время и до сих пор показывает отличную и надежную работу в составе установки по поверке и градуировке счетчиков объема газа.

На рис. 20 показана система сбора для поверки газовых счетчиков в организации «Моспромгаз». Стрелками показано УСО в корпусе от выносного привода CD. Эксплуатируется с 1995 года и до сих пор идеально работает.

5.9. Новая система сбора

В настоящее время заканчивается разработка новой системы сбора на базе скоростного микроконтроллера AT89C51AC3/AT89C51CC03.

Особенности новой системы сбора:

• Аппаратные средства касаются модернизации УСО. Новое УСО отличается от стандартного тем, что в нем применены микросхемы современной элементной базы, среди которых:

- новый высокоскоростной (скорость работы повышена в 2 раза по сравнению со стандартным) 51-совместимый микро-

контроллер AT89C51AC3/AT89C51CC03U производства фирмы ATMEL;

- 24-разрядный Д-Х АЦП ADS1210 от Burr Brown (TI). Благодаря применению такого АЦП удалось достичь разрешения аналого-цифрового преобразования системы сбора лучше ±0,001 В (реальное разрешение — не более ±0,0003 В);

- новая микросхема источника опорного напряжения ADR293 производства фирмы Analog Devices Inc., обладающая пониженным уровнем шума, повышенной точностью и значительно меньшей зависимостью опорного напряжения от температуры;

- новая микросхема защиты входов АЦП от перенапряжений MAX4507 производства фирмы Maxim, защищающая входы от перенапряжений до ±36 В при включенной системе и до ±40 В — при выключенной; применение MAX4507 защищает тракт АЦП от неправильного подключения датчиков (напряжение питания которых достигает +24 В), то есть не дает АЦП выйти из строя;

- новая микросхема высокоскоростной, высоковольтной (скорость передачи — несколько Мбод, пробивное напряжение — до 2,5 кВ) гальванической развязки нового типа (без использования оптронов) iCoupler — ADuM1201/ADUM5241/2 производства фирмы Analog Devices Inc., сочетающей в одном корпусе сразу два преобразователя — на прием и на передачу; применение таких гальванических развязок позволило резко увеличить надежность работы интерфейса связи системы

сбора с компьютером (RS232), особенно на высокой скорости 115 200 бод, значительно снизить электромагнитный шум компьютера, проникающий в тракт АЦП и влияющий на его точность (практически полностью его исключить).

• Программное обеспечение новой системы сбора состоит из двух частей: программа для микроконтроллера и программа для компьютера:

- Программа для микроконтроллера написана на современном языке Си, обладающем высокими оптимизирующими свойствами по памяти и быстродействию (используется компилятор С51 v.6.14 производства фирмы Keil Software).

- Программа для компьютера. Поставляется как базовое программное обеспечение для новой системы, работает в операционных системах Windows’98 SE2 и Windows’XP SP2, язык программирования Clarion v.6.0.

- Обе программы отличают высокая ско-

рость и надежность работы — благодаря использованию в них нового алгоритма обмена по интерфейсу RS232, а также применению прямых процессорных команд ввода/вывода в порт RS232 (in и out). ■

Литература

1. Баррингтон Брюс Б. Как создавался Кларион // Мир ПК. 1993. № 2.

2. Кузьминов А. Ю. Интерфейс КБ232. Связь между компьютером и микроконтроллером. От Б08 к Windows98/XP. М.: ДМК-ПРЕСС, 2006.

3. Кузьминов А. Ю. Интерфейс ЯБ232. Связь между компьютером и микроконтроллером. М.: Радио и связь, 2004.

4. Кузьминов А. Ю. Однокристальные микроЭВМ — основа удаленных систем сбора и обработки сигналов, поступающих с датчиков. // Электроника и компоненты. 1998. № 2.

5. Кузьминов А. Ю. Новые МСБ51 — совместимые микроконтроллеры и их применение в системах сбора информации с датчиков // Контрольноизмерительные приборы и системы. 1997. № 6. 1998. № 7.

6. Кузьминов А. Ю. Удаленные системы сбора информации с датчиков на базе однокристальных микроЭВМ // Автоматизация и производство. 1996. № 3.

7. Кузьминов А. Ю. Универсальная система сбора и обработки данных АСИР-3 // Мир ПК. 1996. № 6.

8. Орлов А. Два звучных слова — Сіагіоп и БеІрЬі // Мир ПК. 1996. № 6.

9. Фролов А. В., Фролов Г. В. Программирование модемов. М.: Диалог-МИФИ, 1993.

10. w ww.analog.c om

11. w ww.atmel.c om

12. w ww.maxim-ic.c om

13. w ww.semiconductor-philips.c om

14. w ww.silabs.c om

15. w ww.ti.c om

16. ww w.msdn.microsoft.c om/library

17. w ww.gapdev.c om

18. w ww.sysintemal.c om