Организация сбора и обработки аналоговых сигналов в интеллектуальных микропроцессорных модулях

Секция моделирующих и управляющих комплексов

УДК 629.113

О.Н. Пьявченко

ОРГАНИЗАЦИЯ СБОРА И ОБРАБОТКИ АНАЛОГОВЫХ СИГНАЛОВ

В ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНЫХ МИКРОПРОЦЕССОРНЫХ МОДУЛЯХ

При решении задач сбора и обработки информации ключевая роль отводится интеллектуальным микропроцессорным модулям (ИММ), которые располагаются вблизи объектов и обеспечивают аналоговую и микропроцессорную обработку сигналов [1].

При этом в микроконтроллере ИММ в реальном масштабе времени решаются следующие задачи [2]:

1. Аналого-цифровое преобразование (АЦ-преобразование) сигналов физических величин.

2. Проверка на достоверность значений сигналов физических величин и фильтрация импульсной помехи.

3. Вычисление сумм значений сигналов физических величин.

4. Вычисление усредненных значений физических величин.

5. Проверка на достоверность усредненных значений сигналов физических величин.

6. Обнаружение отказа аппаратуры.

7. Замена приближенными значениями недостоверных усредненных значений физических величин.

8. Измерение значений физических величин, оценка состояний переменных и/или вычисление управляющих воздействий.

9. Формирование результатов для выдачи на цифровой/аналоговый выход (с учетом признака недостоверности при обнаружении импульсных помех и признака отказа).

Требования к производительности микроконтроллеров и, соответственно, технические характеристики ИММ определяются не только сложностью решаемых задач, но и максимальной частотой изменения входных сигналов, и организацией функционирования ИММ в темпе реального времени. Остановимся на этих факторах.

Известно [3], что для систем управления 1-го порядка частоту дискретизации входного сигнала следует брать в 4 раза больше наивысшей частоты сигнала. Если же порядок системы управления больше первого, то частота дискретизации должна быть выбрана в 10 раз больше наивысшей частоты сигнала и, соответственно, устанавлен шаг дискретизации

Т <-^—.

Например, при наивысшей частоте сигнала /тах = 20 Гц шаг дискретиза-цииТ < 5мс, а при наивысшей частоте сигнала /тах = 100 Гц шаг дискретизации Т < 1мс.

Для современной микроконтроллерной базы вполне реальна организация решения перечисленных выше задач в пределах таких шагов дискретизации. Однако для получения необходимой точности задачи первичной обработки 1-4 должны решаться в десятки раз чаще.

Поэтому в ИММ АЦ-преобразования реализуются с шагом Тщ << Т.

Требования к производительности микроконтроллеров определяются набором задач, который реализуется на интервале Тдц. При этом возможны следующие схемы организации вычислительных процессов.

Схема 1. Формирование результатов измерения и обработки (решение совокупности всех задач 1-9) на каждом интервале АЦ-преобразований, Тщ << Т(рис. 1).

Результаты измерений и обработки

<-------------------------- Т -----------------------------------

Рис. 1. Временная диаграмма организации функционирования ИММ по схеме 1

Темп работы ИММ определяется АЦ-преобразованием, которое производится через каждый шаг (интервал) Тщ и по времени занимает часть этого интервала. АЦ-преобразование завершается занесением кода в память и выставлением флага готовности результата. В многоканальном ИММ флаг выставляется после формирования значений всех сигналов. Результаты АЦ-преобразований проверяются на достоверность, корректируются, суммируются с соответствующими (п-1) данными, сформированными на предыдущих шагах ТАц, и усредняются (задачами 2-4). Следует заметить, что для сокращения времени вычисления усредненных значений сигналов определяются экономичным методом скользящего среднего [5], позволяющим на каждом шаге Тщ обойтись всего двумя операциями (суммированием и сдвигом).

Обработка усредненных значений производится, когда в результате решения задачи 5 подтверждена работоспособность аппаратуры.

Обработке предшествует проверка усредненных значений на достоверность и замена недостоверных значений приближенными (задачи 6,7). После этого в случае необходимости вычисляются значения физических величин, оцениваются состояния переменных и/или вычисляются управляющие воздействия (задачи 8,9).

Результаты обработки формируются для выдачи на аналоговый выход и/или в цифровой сетевой канал. Когда в сети реализуется передача данных по протоколу, то на интервале Тщ должна также решаться задача поддержки ИММ процедур сетевого обмена.

При этом измеренные значения физических величин вычисляются и обрабатываются со сдвигом по времени

At1 - Тац

где n - количество оцифрованных значений, используемых при усреднении. Для решения этих задач требуется время

tpi £ Тац

и они выполняются в

Я = f

Тац

раз чаще, чем это необходимо в соответствии с условием (1). Это приводит к необходимости применения в ИММ микроконтроллеров с завышенной производительностью и к перегрузке сетевого канала малополезной информацией.

В этом плане более совершенной является организация вычислительных процессов, в которой, как и в предыдущем случае, АЦ-преобразования производятся N раз за интервал Т (4), результаты измерений и обработки формируются через интервал Т (1).

Схема 2. Формирование результатов измерений и обработки в течение интервала Т (1) и реализация АЦ-преобразования через интервал ТАц << Т.

Как и в предыдущем случае, АЦ-преобразования реализуются непрерывно

через интервал ТАц (задача 1). Для сглаживания используется метод скользящего

среднего, позволяющий формировать усредненные результаты n АЦ-преобразований в конце каждого интервала ТАц (задачи 3,4). При этом используются проверенные на достоверность и, в случае необходимости, откорректированные оцифрованные значения сигналов (задача 2).

В отличие от схемы 1 для решения задач 5-9 отводится не оставшееся свободное время одного интервала ТАц, а суммарное свободное время всех N интервалов. В конце интервала

Т = ЯТац

рассчитываются и формируются для вывода результаты измерений и обработки.

Когда полученные данные передаются в сеть по протоколу, для реализации процедур поддержки в ИММ сетевого обмена на интервалах Тац отводится необходимое время.

При организации вычислений по схеме 2 результаты измерений и обработки формируются со сдвигом по времени

АТ2 =

Для решения задач 1-9 отводится время

1р2 = [

где a - коэффициент (a<1), определяющий часть интервала ТАц, отведенную для решения задач 1-4. В результате к производительности микроконтроллера предъявляются менее жесткие требования.

Это достоинство сохраняется и при реализации АЦ-преобразований n-мерными пакетами, а выполнение основной обработки осуществляется между пакетами.

Схема 3. Формирование результатов измерений и обработки на интервале на основе пакета n значений сигнала, полученных в начале этого интервала (рис. 2).

Рис. 2. Временная диаграмма организации функционирования ИММ по схеме 3

Интервал Т состоит из интервала формирования результатов АЦ-преобразований пТАц и интервала обработки этих результатов Тоб.

На интервале ТАц могут производиться аналого-цифровое преобразование сигналов физических величин (задача 1), проверка на достоверность результатов преобразований и, в случае необходимости, фильтрация импульсной помехи (задача 2), суммирование полученных оцифрованных значений с результатами АЦ-преобразований, полученными на предыдущих интервалах ТАц (задача 3).

После завершения формирования пакета в результате деления суммы на п рассчитываются усредненные значения сигналов физических величин (задача 4). Затем усредненные значения проверяются на достоверность (задача 5) и оценивается работоспособность аппаратуры (задача 6). Если отказ аппаратуры не обнаружен, но усредненные значения сигналов физических величин недостоверные, то они заменяются приближенными (задача 7). После этого усредненные значения обрабатываются и результаты обработки формируются для выдачи в сеть ИММ (задачи 8,9).

При сохранении соотношения (4) время, отводимое в ИММ для решения всех задач 1-9, составляет

Їр31 = -

Результаты обработки формируются с задержкой по времени

АТ з =

Т

АЦ-

Заметим, что схема 3 допускает модификацию, в соответствии с которой в начале интервала Т только оцифровываются и запоминаются сигналы физических величин, а остальная обработка (решение задач 2-9) производится на интервале

Тоб = Т - пТац .

Сопоставим характеристики рассмотренных схем организации функционирования ИММ. По сравнению со схемой 1, на решение задач 1-9 в схеме 2 отводится в

раз, а в схеме 3 в

К21 = N - о(Ы - п) Кзі = N (1 - а)п

раз больше времени. Отсюда следует, что по сравнению с ИММ, работающим по схеме 1, в ИММ, функционирующих по схемам 2 и 3, могут использоваться в К21 (10) и К31 (11) раз менее производительные микроконтроллеры. Например, когда а = 0,3, N = 100, п = 8, микроконтроллеры ИММ могут работать в К21 = 72,4 и К31 = 94,4 раз медленнее. В свою очередь, по схеме 3 в ИММ для решения всех задач 1-9 отводится в 1,3 раза больше времени, чем по схеме 2.

Что же касается сдвига по времени сформированных результатов измерений и обработки по отношению к моменту оцифровки аналоговых сигналов, то наименьшее запаздывание обеспечивает схема 1 (2), наибольшее - схема 2 (6) и близкое к схеме 2, но меньшее, чем в ней - схема 3 (9). Например, когда N = 100, п = 16, запаздывания составят

АТ] = Тац, АТ2 = 108Тац и АТз = 92Тац .

На основании проведенного анализа можно рекомендовать:

1. В случае, когда результаты измерений и оценок состояний физических переменных, формирования управляющих воздействий должны выдаваться прецизионным ИММ в канал связи с частотой, в сотни раз превышающей 10/тах и с минимальной временной задержкой, работу ИММ следует организовать по схеме 1.

2. Если с выхода ИММ результаты измерений и оценки состояний физических переменных, формирования управляющих воздействий должны выдаваться в сетевой канал с частотой 10/тах либо близкой к ней, то для построения прецизионного ИММ нужно рассматривать схемы 2 и 3. Эти схемы имеют близкие характеристики, однако схема 3 позволяет не только отвести больше времени под решение задач 1-9, но и при программировании не требует разбиения решения задач 5-9 на кванты. В результате этого упрощается разработка и отладка программного обеспечения.

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1. Локотков А. Устройства связи с объектом. Модули фирмы АБУАМГЕСН // СТА. 1997. № 2. С.32-44.

2. Пьявченко О.Н. Проектирование локальных микрокомпьютерных систем. - Таганрог: Изд-во ТРТУ, 2005. - 238 с.

3. Годбоул К. Переход от аналогового управления электроприводом к цифровому // Электронные компоненты. 2006. № 11. С.25-33.

УДК 621.5

С.И. Клевцов

ОСОБЕННОСТИ ПРИМЕНЕНИЯ МОДЕЛЕЙ ГРАДУИРОВОЧНЫХ ХАРАКТЕРИСТИК ДАТЧИКОВ ДАВЛЕНИЯ

Основными критериями и ограничениями при выборе пространственной модели градуировочной характеристики датчика давления являются: достижение заданной точности аппроксимации функции преобразования чувствительного элемента (ЧЭ) во всем диапазоне измеряемого физического сигнала и внешних воздействующих факторов; необходимый объем экспериментальных данных для построения выбранной модели; допустимый уровень сложности алгоритма вычисле-