Разработка микропроцессорных устройств для первичной обработки информации с геофизических датчиков

ностью Р) будут выбираться.

Каждый «потомок» содержит информацию о генах «родителей». Поэтому для реализации этого этапа было использовано «скрещивание» («сгобб-оуеп>) - делением «хромосом» «родителей» пополам получаем два «гена» одного «родителя», два «гена» другого «родителя» и составляем «хромосому» «потомка»: от первого «родителя» берем первый «ген», а от второго - второй:

{0; 330; 200}

——

{0; 330; 310}

{0; 400; 200} («потомок» 2) .

Новое «поколение» подвергается процессу «мутации» с заданной вероятностью. Производится замена одного из значений какой-нибудь «хромосомы» на случайное целое число в пределах возможных вариантов подключения кабеля:

{0; 400; 200} («потомок» 2) — {0; 400; 105} («потомок» 2 после «мутации»).

Таким образом, новая «популяция» состоит из двух «хромосом»: {0; 330; 310} и {0; 400; 105}.

Если новое «поколение» содержит решение, достаточно близкое к ответу, то задача решена.

В противном случае оно проходит через вышеописанный процесс. Это продолжается до тех пор, пока лучшее решение не будет оставаться неизменным в течение заданного числа «поколений» или не будет выполнено иное условие останова (например, определенное количество «поколений»).

После этого лучшее решение считается близким к оптимальному (рис. 4).

Данный процесс нахождения оптимальной схемы электроснабжения горных машин

может быть использован в общем случае и при оптимизации сетей электроснабжения промышленных предприятий.

Для решения этой задачи в среде Бе1рЫ 7.0 разработана программная оболочка.

На рис. 5 представлены результаты поиска оптимального решения по критерию минимума падения напряжения на гибком кабеле, питающем самый удаленный от ПУПП двигатель (двигатель 1).

Программа определяет координаты подключения двигателей 1, 2 и 3 к ПУПП с учетом топологии шахты на основании данных о местоположении, параметрах и режимах работы двигателей.

Расчет произведен для статического режима работы двигателей при постоянной нагрузке.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Поспелов Г. Е., Сыч Н. М. Потери мощности и энергии в электрических сетях. - М.: Энергоиздат, 1981. - 216 с.: ил.

2. Волотковский С. А., Разумный Ю. Т. Пивняк Г. Г. и др. Электроснабжение угольных шахт. - М.:

Недра, 1984. - 376 с.: ил.

3. ЖБВ-адрес: http://www.neuroproject.ru/genea1g.htm.

4. ЖБВ-адрес: http://www.a1go1ist.da.ru.

5. ЖБВ-адрес: http://saisa.chat.ru/ga/ga-pop.htm1.

Автор статьи:

Негадаев Владислав Александрович ассистент каф. электропривода и автоматизации

УДК 622.271.333:550.37

В.В. Демьянов, С.М. Простов, Р.Ю. Сорокин

РАЗРАБОТКА МИКРОПРОЦЕССОРНЫХ УСТРОЙСТВ ДЛЯ ПЕРВИЧНОЙ ОБРАБОТКИ ИНФОРМАЦИИ С ГЕОФИЗИЧЕСКИХ ДАТЧИКОВ

Для получения информации о состоянии массива горных пород применяют датчики, созданные на базе различных методов геоконтроля: индукционного, акустического, геомагнитного, естественного электромагнитного излучения, оптического излучения и др. Каждый тип датчика, реализующий тот

или иной метод геоконтроля, обязательно включает в себя чувствительный элемент, преобразующий воздействующее на него физическое поле породного массива в электрический сигнал. Величина этого сигнала в большинстве случаев недостаточна для непосредственной его обработки, поэтому требу-

ются специализированные устройства первичной обработки и подготовки геоинформации для передачи.

На кафедре электропривода и автоматизации КузГТУ разработаны несколько типов универсальных микропроцессорных устройств для автоматизированных систем геоконтроля

DA1 КР1408УД1 DD1 PIC16F877

Аналоговый .

вход

R1

ZQ1

20 MHzX_

RA0 мси RB0- -RB7

RE0- RD0-

-RE2 -RD7

CLK0 RC6

CLK1 RC7

:=:===t}

Блок

индикации ,

і________________і

DD2 МАХ232

N/

тх

RX

Tin

Rout

Tout

Rin

RS-232C

<-

Радиомодем

Рис. 1. Структурная схема устройства первичной обработки и передачи информации геофизических датчиков

DD2 І8255

Рис. 2. Структурная схема устройства первичной обработки и запоминания информации

массива горных пород, позволяющие производить предварительную обработку, запоминание и подготовку к передаче данных, полученных с первичных преобразователей измеряемых параметров [1, 2]. На рис. 1 приведена структурная схема, позволяющая полученный с датчика аналоговый сигнал усиливать с помощью операционного усилителя и нормировать его до величины, необходимой для работы аналого-цифрового преобразователя (АЦП), встроенного в микроконтроллер компании Microchip Technology Incorporated семейства PIC 16F877.

В зависимости от типа датчика в универсальном устройстве используются операционные

усилители серий 1408, 284, 544, 548 или 574, отличающиеся коэффициентами усиления, ослабления синфазных входных напряжений, верхней граничной частотой усиления, ЭДС шума и др. В операционных усилителях регулирование коэффициента усиления для заданного датчика производится изменением величины отрицательной обратной связи резисторами Я1 и Я2.

Введение микроконтроллера в устройство первичной обработки информации позволяет достаточно гибко (программным способом) задавать предупредительный или аварийный пороги срабатывания датчиков, после превышения которых микроконтроллер дает команду передачи через радиомодем

контролируемого параметра горного массива в телекоммуникационную систему горного предприятия. В разработанном устройстве используется последовательный интерфейс стандарта Я8-232С, поэтому между микроконтроллером, представляющим собой однокристальную микроЭВМ и работающую с уровнями сигналов цифровой логики, и радиомодемом, работающим с уровнями сигналов стандарта Я8-232С, стоит микросхема преобразователя уровней МАХ232.

Радиомодем позволяет передавать информацию как из микроконтроллера при “считывании” ее в телекоммуникационную систему, так и в микроконтроллер при “запросе” кон-

DD1 PIC16F877

Аналоговые входы <

ZQ1 є 20 MHz

RA0 RA1 мси RB0-

RA2 -RB7

RA3

RA5 RD0-

RE0 -RD7

RF1

RF? RC0-

-КСЬ

CLK0 RC6

CLK1 RC7

DD2-DD4 CD4520A

І/

ОТ?

С А0-

R -А19

DD5 K6X8008C2B-TF55

20

А0- SRAM D0-

-А19 -D7

1 Mb

Oh

CS

WR

DD6 МАХ232

ТХ

RX

Tin

Rout

Tout

Rin

>-\ RS-232C

Рис. 3. Структурная схема устройства первичной обработки информации с организацией быстродействующего чтения и записи в память

тролируемого параметра или при программном дистанционном изменении порогового уровня. Дополнительно информация может выводиться на блок индикации, представляющий собой жидкокристаллический модуль индикации, например, AC162A или светодиодный модуль любого типа. Выбор типа радиомодема определяется типом беспроводной связи и поэтому можно использовать как, например, микропроцессорный контроллер ADAM-4550 фирмы

“Advantech”, работающий в диапазоне 2,45 ГГц, так и

терминал Siemens MC35i фирмы “Siemens”, работающий в стандарте GSM 900/1800 МГц региональных операторов сотовой связи. Эти радиомодемы компактны, имеют малые раз-

меры, потребляемые токи и встроенные порты стандартов Я5-232С и К5-485.

Структурная схема универсального устройства первичной обработки информации с возможностью её запоминания, представлена на рис. 2.

В данной схеме используются все восемь входов, через которые аналоговые сигналы, оцифрованные Р1С-

контроллером, заносятся в микросхему статической памяти типа ЦМ61512, имеющей объем 64 Кбайт. Для этой цели используется микросхема параллельного интерфейса типа 18255, с помощью которой формируются шина адреса и шина данных для микросхемы памяти. В микросхеме параллельного интерфейса порт ЯА используется как 8-разрядная двуна-

правленная шина данных 00-Б7, а порты КВ и ЯС как 16разрядная шина адреса А0-А15.

В микроконтроллере

РІС16Р877 порты ЯА и КЕ используются как аналоговые входы, а порт КО управляет операциями чтения и записи данных в регистры микросхемы І8255 и в микросхему памяти ЦМ61512АК через 8-разрядную шину управления К00-К07. В данной схеме за счет использования внешней памяти частота дискретизации аналоговых сигналов выше, вследствие того, что информация вначале заносится в память, а потом уже обрабатывается, по сравнению с первой схемой, в которой частота дискретизации определяется выбранной скоростью обмена информации по интерфейсу Я5-232С. К тому же использование

DD1 - DD8 МСР3201

Аналоговые

входы

AN0 ADC no-

AN1

AN2 -L>/

AN3

AN4 CLK

ANb OR

AN6

AN/

DD9 PIC16F877

ZQ1 20 MHz

RD0-

-RD7

RA0

RA1

CLK0

CLK1

MCU

RB0-

-RB7

RC0-

-RC5

RC6

RC7

DD10-DD12 CD4520A

С CT2 A0-

R -A19 20

DD13 K6X8008C2B-TF55

A0- SRAM D0-

-A19 1 Mb -D7

OE

CS

WR

DD14 MAX232

TX

RX

Tin Tout

^ \ RS-232C

Rout Rin

Рис. 4. Структурная схема быстродействующего устройства первичной обработки информации с использованием внешних АЦП

параллельного интерфейса позволяет программно обратиться к произвольной ячейке памяти, что дает возможность выборочно и оперативно сравнивать и обрабатывать полученную информацию.

Объем запоминаемой информации в данном устройстве ограничивается 16-разрядной

шиной адреса, формируемой микросхемой 002, т.к. эта микросхема имеет всего три 8разрядных порта, один из которых необходим для передачи и приема информации в микросхему памяти 003. Поэтому рассмотренные устройства первичной обработки информации могут использоваться для геофизических датчиков, таких как датчики давления, влажности, температуры, электрического

сопротивления и др., в которых сигналы не имеют сложного спектрального состава и для которых возможна установка величины порогового уровня.

Для геофизических датчиков акустического, естественного электромагнитного и оптического излучений, имеющих

сложные импульсные сигналы, возникающие при образовании трещин в горном массиве и изменяющиеся как по амплитуде, так и по частоте следования, требуется более быстродействующие устройства обработки и запоминания информации.

Структурная схема устройства первичной обработки информации с организацией быстродействующего ее чтения и записи в память приведена на рис. 3.

В этой схеме восемь аналоговых входов

программно подключаются к встроенному в Р1С-контроллер 10-разрядному АЦП. Опрашивание входов может быть как последовательным, так и выборочным. Порт ЯВ Р1С-контроллера служит 8разрядной шиной данных для обмена информацией с памятью. Для формирования адреса используются двоичные счетчики 002-004 типа С04520А, которые содержат в себе два четырехразрядных двоичных счетчика. Для обслуживания адресного пространства в 1 Мбайт требуется 20-разрядная шина адреса, сформированная из пяти таких счетчиков. При этом доступ к ячейкам памяти происходит последовательно от ячейки с младшим адресом к старшей при каждой инкрементации счетчика.

Данное микропроцессорное устройство значительно превосходит предыдущее (рис. 2) как по быстродействию, так и по объему адресуемой памяти. Объем памяти в устройстве можно многократно увеличивать путем дополнительной установки микросхем памяти объемом до 1 Мбайта и соответственного наращивания линейки счетчиков. Это устройство компактно, имеет малое энергопотребление и способно работать со всеми перечисленными выше датчиками. Ограничением в его применении может служить частотный порог импульсных сигналов, ограничиваемый временем переключения аналоговых входов мультиплексора и временем преобразования АЦП, встроенных в Р1С-контроллер.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

Поэтому для быстродействующих электронных датчиков электромагнитного и оптического излучений разработанного устройства первичной обработки информации с использованием внешних более быстродействующих АЦП (рис. 4). В этом устройстве используется восемь внешних АЦП на микросхемах 001-008 типа МСР3201 с последовательной выдачей информации на порт ЯО микросхемы 009, который используется как цифровой вход Р1С-контроллера. Порт ЯА формирует сигналы управления для внешних АЦП, а порт ЯВ служит шиной данных для обмена информацией с памятью.

Применение внешних АЦП позволяет опрашивать все восемь аналоговых входов параллельно, что поднимает частоту дискретизации до 40 кГц и дает возможность обрабатывать данные сразу с восьми быстродействующих датчиков.

В заключение следует отметить, что разработанные устройства позволят для любых геофизических датчиков, например, акустических, сейсмоа-кустических, геофонов и др., осуществлять первичную обработку и подготовку информации для передачи ее в автоматизированные системы геоконтроля горных предприятий. Введение в разработанные устройства микропроцессоров позволяет реализовать целый ряд функций первичной обработки и тем самым значительно разгрузить каналы передачи информации автоматизированных систем геоконтроля.

1. Демьянов В.В. Методологические основы создания автоматизированной системы комплексного геоконтроля устойчивости бортов карьеров / В.В. Демьянов, С.М. Простов, Р.Ю. Сорокин // Горный информационно-аналитический бюллетень. - М.: Изд-во МГГУ. - 2003. - №7. - С. 109-110.

2. Демьянов В.В. Система автоматизированного геоконтроля и прогноза физических процессов в техногенных массивах карьеров / В.В. Демьянов, С.М. Простов, С.В. Сидельцев, Р.Ю. Сорокин // Горный информационно-аналитический бюллетень. - М.: Изд-во МГГУ. - 2004. - №10. - С. 156-158.

Авторы статьи:

Демьянов Простов Сорокин

Владимир Васильевич Сергей Михайлович Роман Юрьевич

- канд. физ.-мат.наук, доц. каф. элек- - докт. техн. наук проф. каф. теорети- - инженер каф. электропривода и

тропривода и автоматизации ческой и геотехнической механики автоматизации