CC BY
49
DOI: 10.6084/m9.figshare.4879994
ВИМ1РЮВАЛЬНИЙ КОМПЛЕКС НА ОСНОВ1 ПК
Гринько С.С., Урсов В.М.
Херсонський нащональний технiчний унiверситет
PC-BASED MEASURING COMPLEX
Grinko S.S., Ursov V.M.
Kherson national technical university
Анотаця. Розглянутi питання по розробц двоканального осцилографу на ocHoei ушверсально1 шини USB. Описаний принцип роботи пристрою. Представленi результати вимiрювання.
Ключовi слова: USB осцилограф, мжроконтролер, АЦП.
Abstract. The issues of the development two-channel oscilloscope based on universal bus USB are shown. The principles of operation are described. The results of testing the device are given.
Keywords: USB oscilloscope, microcontroller, ADC.
Вступ. У наш час комп'ютерна техшка посщае велике мюце. Ii швидкий безперервний розвиток набирае все бшьшого розмаху. Велика доступнють та дешевизна призвела до того, що комп'ютери стали використовуватися не тшьки у сферах обслуговування та на виробнищш для полегшення виконання роботи, але й для створення комфорту.
Зараз широко почались використовуватися комп'ютери, як основа для шдключення рiзних пристро1в сполучення (маються на увазi нестандартнi пристро!), якi можуть бути як зовшшшми, так i внутрiшнiми. Зовнiшнi пристро! сполучення можуть бути вiддаленi вщ комп'ютера на вiдстань вiд декшькох метрiв (вiдеокамера для спостережень, радюпристро!" з бездротовим з'еднанням тощо) до декшькох кiлометрiв (рiзноманiтнi датчики вимiрювань, якi пiд'еднуються до комп'ютера за допомогою оптоволоконних лiнiй зв'язку). Внутршш пристро! сполучення виготовляються у виглядi плат розширення, якi
вмонтовуються всередину комп'ютера, шд'еднуючись до po3'eMÏB материнсько1' плати (COM, LPT, PCI, mini-PCI, VGA, USB та ш.).
У виглядi плати розширення або пристрою сполучення з персональним комп'ютером (ПК) можна виготовити будь-який нестандартний пристрш, який Mir би виконувати найрiзноманiтнiшi функцiï. Таким чином, вiртуальний пристрiй представляе собою програмне забезпечення, встановлене на комп'ютер та штерфейсний пристрш, що дозволяе ПК отримати доступ до тих фiзичних величин та проце^в, якi вiн повинен буде обробляти [1].
Як правило, в якост такого штерфейсу виступае аналогово-цифровий перетворювач з одним або декшькома входами або мiкроконтролер. Можна також розраховувати на те, що вiртуальний пристрш надасть своему власнику найбшьш широк можливостi, причому за щною вiн буде порiвняний з класичним вимiрювальним пристроем, який мае такий же рiвень технiчних характеристик. Такий тдхщ дозволяе обмежитися мтмальними затратами, якщо вимоги до вимiрювального комплексу не дуже жорсткi. Крiм того це також дае можливють повернути до активноï та корисноï роботи навiть застарiлi iз roM-сумюних ПК, якi начебто здавались приречеш, дякуючи запаморочливiй еволюцiï обчислюваноï техшки [2].
Мета та задачь Метою дано1' роботи е проектування та виготовлення вимiрювального комплексу на основi ПК - USB осцилографу.
Для досягнення мети були поставлен наступнi завдання:
1) пiдiбрати найзручшший для проектування та виготовлення пристрою штерфейс комп'ютера;
2) виготовити ушверсальний вимiрювальний пристрiй;
3) перевiрити на практищ працездатнiсть пристрою за допомогою зовшшнього джерела сигналiв.
Такий вимiрювальний комплекс можна буде використовувати не тшьки для вимiрювання, але й для вiзуального спостереження електричних сигналiв.
Матерiали та методи. Для виконання поставлено:' задачi за основу було взято послщовну шину USB. В порiвняннi з iншими зовнiшнiми портами USB
мае багато переваг, що дозволяе безперешкодно створити будь-який вимiрювальний пристрш з високою пропускною спроможнютю [3].
Серед головних переваг шини USB е: кшькють самих портiв на ПК, що дозволяе вшьно використовувати ïx призначення на свiй розсуд; висока швидкють передачi даних; автоматичне виявлення пристрою при тдключенш; живлення для будь-якого пристрою (+5 В), навт без використання у багатьох випадках гальванiчноï розв'язки по напрузц можливють «гарячого» вiдключення пристроïв - без вимикання комп'ютера. Виходячи з цих положень, можна побачити, що шина USB мае дуже багато можливостей для того, щоб можна було використовувати ïï не тшьки для роботи зi стандартною заводською периферiею, а й використовувати на власний розсуд, наприклад для створення будь-якого нестандартного пристрою сполучення [4].
Так як даний осцилограф шдключатиметься до USB шини, то дуже зручно буде, якщо живлення для пристрою взяти безпосередньо з комп'ютера, а не використовувати зовшшне джерело. Напруги 5 В, яка виводиться на шину, буде достатньо для живлення в^е1" схеми.
В якост АЦП, як основного елементу пристрою було взято мкроконтролер C8051F320 компани Cygnal Integrated (Silicon Laboratories). [5]
Мшроконтролер C8051F320 мае дуже великий набiр перифери, а також шдтримку високошвидкюного каналу обмiну даними з комп'ютером (USB), що не потребуе додаткових джерел живлення. Даний мшроконтролер мютить в собi (рис. 1):
- 10-розрядний АЦП з комутатором на 17 каналiв, з продуктивнiстю 200 тисяч перетворень в секунду;
- джерело опорно1' напруги 3 В зi струмом навантаження до 100 мА, що дозволяе живити мшроконтролер безпосередньо вiд шини USB;
- можливють роботи з штерфейсами: SMBus/I2C, SPI, UART, USB;
- вбудований USB контролер;
- вбудовану оперативну та FLASH пам'ять;
- лiчильник реального часу; датчик температури.
Рис. 1. Структура мжроконтролера С8051Б320
Функщонально АЦП мiкроконтролера мiстить два вбудоваш аналоговi мультиплексори i може працювати як в диференцiальному, так i iнтегральному режимi перетворень. Опорна напруга АЦП може задаватися внутршшм джерелом, напругою живлення мiкроконтролера або зовшшшм джерелом живлення. Ще одна перевага мшроконтролера С8051F320 - мiнiатюрнiсть та мала споживана потужнють. Напруга живлення ядра мшроконтролера вiд 2,7 до 3,6 В; струми споживання для рiзних режимiв роботи складають величини вщ менш нiж 0,1 мкА до 25 мА.
Великий перелш можливостей, а також дешевизна дозволяють створити компактний та недорогий пристрш, що допоможе рееструвати, обчислювати та вщображати дослiджуванi сигнали, а також буде мати дуже багато додаткових функцш. Завдяки тому, що даний м^оконтролер мае у своему складi i джерело опорно! напруги, i АЦП, схему пристрою можна спростити до декшькох блокiв (рис .2).
Вхщний каскад мае два канали: А i В, якi можна використовувати як одночасно для дослщження, спостереження та порiвняння одразу двох сигналiв,
так i окремо - для вимiрювання одного окремого сигналу. Вхщний каскад мютить у своему складi елементи узгодження входного сигналу i3 АЦП (мшроконтролером). Сигнал, пiддавшись обробцi та тдсиленню вхiдного каскаду, потрапляе на мшроконтролер, де вiдбуваеться його подальша обробка. Пiсля всiх розрахункiв та перетворень i3 мiкроконтролера сигнал потрапляе безпосередньо на шину USB. Дал^ за допомогою спецiального програмного забезпечення виводиться на екран.
Рис. 2. Функщональна схема пристрою
Схема живиться вщ само! шини USB, що також спрощуе проектування та виготовлення пристрою, так як не потрiбно буде використовувати зовшшне джерело та стабшзатор напруги. Ще одна перевага цього - те, що не потрiбно використовувати окремий кабель для живлення схеми, що не буде призводити до створення додаткових шумiв та виникнення рiзноманiтних перешкод при проходженш струму живлення через з'еднувальш провiдники. Простота та мала юлькють складових частин дозволяють створити компактний та недорогий пристрш, що матиме дуже широк можливостi.
Для узгодження мшроконтролера i3 вимiрюваним сигналом встановлюеться вхiдний каскад, побудований на основi операцiйних пiдсилювачiв. Для встановлення меж вимiрювання було взято два операцшних пiдсилювача.
З розрахунком простоти схеми був розроблений найпростший пiдсилювач, головний компонент схеми якого - широко розповсюджений здвоений операцшний пiдсилювач. Таю пiдсилювачi можуть також працювати з
напругами, дуже близькими до нуля, навпъ без двополярного живлення [7]. Для вимiрювання не потрiбнi також ш широка смуга частот (достатньо навггь декшькох кшогерщв), нi висока точнють (достатньо 1 %), нi змщення нуля на рiвнi мiкровольтiв. Аналогова частина USB осцилографа (вхiднi ланцюги одного каналу) показана на рис. 3.
Тут Vdd виступае в якост як напруги живлення операцшного пiдсилювача, так i в якост опорно! напруги, призначено! порiвняння та сшвставлення iз вхiдним сигналом для обчислення значення останнього.
юок
Рис. 3. Вхщна аналогова частина одного iз каналiв осцилографа
Як опорна напруга АЦП використовуеться внутршне високостабшьне джерело опорно! напруги на У^ = 2.44 В. З чого витшае, що для аналiзу вхщних сигналiв в дiапазонi ±20В, !х необхiдно зменшити в 20 разiв i змiстити на половину опорно! напруги. Якщо використовувати для двох каналiв осцилографа 4 канали АЦП то можна апаратно розбити вхщний дiапазон напруги на два пiддiапазони 0...2 i 2...20 В, причому на нижньому дiапазонi дiльник повинен бути 1/2.
Вибiр одного з двох пiддiапазонiв здiйснюеться вибором розмаху шкали напруги для вiдповiдного каналу. Дшьник i зсув для пiддiапазону 2...20 В
реaлiзовaнi на оперaцiйномy пiдсилювaчi OP1, а для пiддiaпaзонy 0...2 В на OP2. Напруга змiщення формyeться за допомогою двох дшьниюв з не стабшьно1" нaпрyги живлення Vdd.
Якщо врaхyвaти що типове значення Vdd = 3,3 В, напруга на виходi дiльникiв рiвнa, для першо1' межi вимiрювaння:
Uд1 = 1,165 В,
для друго1' межi вимiрювaння:
Uд2 = 0,807 В.
Напруга змiщення на виходi кожного з ОУ визначаеться виходячи за допомогою виразу:
Шм = Uд + Цд • К,
де К - коефiцieнт передaчi пiдсилювaчa (K = 1/20 для OP1 i K = 1/2 для OP2). З чого виходить, що напруга змщення на виходi OP1 буде:
Шм1 = 1,165 • 1,05 = 1,22 В,
а на виходi OP2 буде:
Шм2 = 0,807 • 1,5 = 1,21 В.
Тобто, близьке до половини опорно1' напруги. Якщо ж врахувати, що Vdd може змiнювaтися в залежност мiкроконтролерa (але не "пливе" з часом) в межах вщ 3 до 3,6 В, то виходить, що напруга зсуву буде змшюватися для OP1:
Uзм1 = 1,11.1,33 В,
а для OP2:
изм2 = 1,1...1,32 В.
Знаючи що максимальна вхщна напруга (±20В або ±2В) перетвориться в ±1В, то з урахуванням змщення виходить, що напруга на виходi ОУ буде для OP1:
ивих1 = 0,11.2,33 В,
а для OP2:
ивих2 = 0,1.2,32 В.
Тобто, напруга знаходиться в межах 0...Vref. З чого виходить, що при будь-якому значенш нестабильного Vdd на виходi АЦП школи не буде переповнення. Нестабiльнiсть Vdd елементарно компенсуеться калiбруванням кожного пiддiапазону обох каналiв, що забезпечуе точнють вимiрювання напруги не гiршу за 1-2%. Калiбрувальнi коефiцiенти розраховуються для кожного пристрою окремо i збер^аються в енергозалежнiй пам'ятi мiкроконтролера.
Плата пристрою розмщена в корпусi розмiром 60 х 80 х 20 мм (рис. 4). Для з'еднання пристрою з комп'ютером використовуеться USB кабель, а для вимiрювання сигналу - з'еднувальний щуп з екранованого кабелю.
Рис. 4. Зовтшнш вигляд пристрою
Для вщображення отриманого сигналу, а також для ведення статистики
вимiрювань для даного пристрою використовуеться програмне забезпечення ШВ_0всП^гарЬ.
Розроблялося дане програмне забезпечення у середовищi LabVIEW. В LabVIEW знаходяться вбудованi шаблони, що мютять вiртуальнi пристро!, функци, структури та об'екти лицьово! панелi, якi можуть знадобитися при створенш базових додатюв для виконання рiзноманiтних вимiрювань [8].
Зовшшнш iнтерфейс програми зображений на рис. 5.
Рис. 5. Зовшшнш вигляд програмного середовища USB_Oscillograph
В центрi вiкна знаходиться робочий екран на якому вщображаються осцилограми, червона осцилограма вщповщае каналу А, а синя каналу В. Злiва вщ рамки робочого екрану розташована шкала по напрузi каналу А (червоний шрифт), праворуч вiд рамки - шкала по напрузi каналу В (синш шрифт). Розмiрнiсть обох шкал по напрузi завжди у вольтах. Знизу робочого екрану розташована вюь часу (розгортка).
Задати розмах шкали напруги каналу А/В можливо на панелi 8/9 "Канал
A/B (Вольт/экран)". Необхщно вiдзначити, що USB осцилограф апаратно шдтримуе два дiапазони вхiдних сигналiв 0-2 В i 2-20 В. 1з цього витшае, що для того, щоб одержати найдостовiрнiшу осцилограму, амплiтуда яко! знаходиться в дiапазонi ±2 В, доцшьно вибрати розмах ±2 Вольт/екран або нижчий. Оскшьки помилка квантування при розмаху ±2 Вольт/екран i нижче буде складати (при розрядностi 8 бгг):
4 В
= 0,015В
256
тодi як при розмаху ±5 Вольт/екран i вище похибка квантування буде в 10 разiв бшьша:
40В
256
= 0,15В.
На цих же панелях розташоваш кнопки включення/виключення каналiв. Якщо при аналiзi пристрою не вимагаеться анашзувати одночасно два аналоговi сигнали, то доцiльно вимкнути один з каналiв, що дозволить збiльшити максимальну частоту дискретизацп iз 100 кГц до 200 кГц.
На панелi "Параметры сигнала под маркерами" А вщображаються, положення кожного маркера на ос часу i амплiтуда сигналу обох каналiв пiд кожним маркером. Також обчислюеться рiзниця часу маркерiв i амплiтуд сигналiв, при цьому тшр результату рiзницi буде рiвний кольору того маркера вiдповiднi значення, якого бшьшг
Панель "Время/дел." В дозволяе задавати частоту дискретизацп (розгортку) з якою вiдбуваеться вiдцифровування входного аналогового сигналу. Для бiльш менш нормального перегляду осцилограм рекомендуеться, щоб частота дискретизацп була хоча б в 5-6 разiв вища за максимальну частоту входного сигналу. О^м вибору розгортки на панелi "Время/дел." також можна задавати масштаб вщображення осцилограм, тобто можна розтягнути осцилограму до 4 разiв по ос часу для бшьш детального аналiзу, наприклад,
будь-яких тимчасових napaMeTpiB сигналу.
На панелi "Общие параметры сигнала" D вщображаються обчислеш значення постшно! i змшно! складово!' напруги i якщо можливо, то i значення частоти по кожному каналу.
Експериментальш данi та результати. Для випробування USB осцилографу використовувався генератор низьких частот Г3-109.
Мтмальна частота, яку довелося зафжсувати осцилографом у бшьш -менш нормальному виглядi та розрахувати li значення становить приблизно 50 Гц. Максимальна вимiряна частота складае 50 кГц.
Гарний вигляд осцилограми та бшьш точний розрахунок одержуеться вже на частот^ бшьшо!" вщ 500 Гц. На рис. 6 зображений отриманий результат вимiрювання USB осцилографом сигналу частотою 825 Гц.
Рис. 6. Одержаний сигнал частотою 825 Гц
Дуже добре одержуються на екраш ампл^удно-модульоваш сигнали з рiзним коефiцiентами модуляцii (рис. 7 та рис. 8). Коефщентом або глибиною модуляцii m - називаеться вщношення складово!' модулюючого сигналу Ум до складово!' несучого сигналу Ун:
m = —
VM
Рис. 7. Одержаний на екранг USB осцилографу амплгтудно-модульований сигнал iз частотою 2000 Гц та коефщгентом модуляци m = 1
Рис. 8. Одержаний на екраш USB осцилографу амплггудно-модульований сигнал гз частотою 1000 Гц та коефщгентом модуляци m = 0,15
Висновки. Розроблений унгверсальний вимгрювальний пристргй (USB осцилограф) дозволяе вимгрювати та спостерггати отриманг сигнали частотою вгд 50 до 50000 Гц. За допомогою даного пристрою також можна:
- проводити статистику обчислень;
- зберггати результати всгх вимгрювань у виглядг векторного або
растрового рисунка для iMnopTy в iншi програми або у файли даних для подальшого аналiзу;
- роздруковувати результати Bcix вимiрювань.
Даний вимiрювальний комплекс можна також використовувати й для шших рiзноманiтних дослiджень та спостережень.
Лггература
1. Разработка устройств сопряжения. Новиков Ю.В., Калашников О.А., Гуляев С.Э. - М.: Эком, 2000. - 320 с.
2. Гелль П. Как превратить персональный компьютер в измерительный комплекс: Пер. с франц. - 2-е изд., испр. - М.: ДМК, 1999. - 144 с.
3. Ан П. Сопряжение ПК с внешними устройствами: Пер. с англ. - М.: ДМК Пресс, 2003. - 320 с.
4. Агуров П. Практика программирования USB. - СПб.: БХВ-Петербург, 2004. - 624 с.
5. http://www.cygnal.com/
6. Гук М. Аппаратные интерфейсы ПК. Энциклопедия. - СПб.: Питер, 2002. - 528 с.
7. Опадчий Ю. Ф., Глудкин О. П., Гуров А. И. Аналоговая и цифровая электроника. - М.: Горячая Линия - Телеком, 2000. - 768 с.
8. Н.А.Виноградова, Я.И.Листратов, Е.В.Свиридов. Разработка прикладного программного обеспечения в среде LabVIEW: Учебное пособие -М.: Издательство МЭИ, 2005. - 50 с.
