Двухканальная система сбора и обработки данных на базе ПК. Энциклопедия радиоэлектроники и электротехники

Энциклопедия радиоэлектроники и электротехники / Компьютеры

 Комментарии к статье

Однажды автору статьи понадобилось снять характеристики горения пламени (интенсивность излучения в двух узких полосах спектра, соотношение между интенсивностями и их изменение во времени в зависимости от скорости движения воздуха, объема горючего вещества и др.). С этой задачей мог бы справиться цифровой осциллограф, но его в распоряжении не было. Пришлось срочно разрабатывать систему сбора и обработки данных, которая могла бы производить не менее 100 измерений в секунду в каждом канале с задержкой по времени между одноименными выборками не более 0,5 мс. Выводимая информация - напряжение сигнала в каждом канале, отношение их уровней и разница между предыдущей и последующей выборками сигнала в каждом канале.

Безусловно, вряд ли многим читателям потребуется решать ту же задачу, однако предлагаемый программно-аппаратный комплекс можно рассматривать как пример построения работоспособной системы сбора данных, и она может послужить начальным толчком к разработке собственной.

Описываемая система состоит из устройства сбора и трансляции данных (назовем его УСД) и программного обеспечения для ПК Принципиальная схема УСД изображена на рис. 1 (фотопреобразователь на ней условно не показан). Его основа - флэш-микроконтроллер AT90S4433-8PI (DDI) фирмы ATMEL, имеющий в своем составе 10-разрядный АЦП с аналоговым мультиплексором. В данном случае, однако, применен внешний переключатель каналов на интегральных ключах DA1. Это показалось более удобным, так как позволило использовать один буферный усилитель на ОУ DA3 с переменным коэффициентом усиления Kу. Последний зависит от состояния ключа DA4.1: если он разомкнут, Ку = (R8/R6)+1, а если замкнут, Ку = [R8/(R6||R7)]+1 (здесь R6||R7 - сопротивление параллельно соединенных резисторов R6 и R7).

(нажмите для увеличения)

Входной каскад ОУ DA3 построен на МОП-транзисторах. Это позволило применить защитные резисторы (R1 и R2) на входе каждого канала без уменьшения точности измерения, вызванного входным током (ток утечки ключей микросхемы DA1 также пренебрежимо мал). Резисторы необходимы для того, чтобы встроенные в микросхему DA1 входные защитные диоды не вышли из строя при превышении измеряемым сигналом напряжения питания DA1 (предельно допустимый ток через эти диоды - 10 мА).

Еще одна важная особенность примененного ОУ в том, что его входное и выходное напряжения могут достигать значений напряжений питания (так называемый rail-to-rail ОУ). Благодаря этому можно использовать один источник питания для ОУ и микроконтроллера без сужения динамического диапазона измеряемого сигнала.

На микросхеме DA2 собран стабилизатор напряжения питания устройства, на DA5 - источник образцового напряжения для АЦП микроконтроллера. Микросхема DA6 служит для связи универсального асинхронного последовательного приемопередатчика (UART) микроконтроллера с ПК по последовательному интерфейсу RS232. Светодиоды HL1 и HL2 - индикаторы режимов работы УСД.

Разъем ХР1 необходим для последовательного программирования микроконтроллера в устройстве, например, внутрисхемным программатором AS1. Через разъем XS1 осуществляется связь УСД с последовательным портом ПК.

Программа для микроконтроллера написана на AVR-ассемблере в среде AVR-Studio которая распространяется фирмой ATMEL свободно. Windows-приложение, отвечающее за связь с УСД и обработку принятой информации, создано в среде Delphi 5. При написании программы мне очень помогла статья Р. Кусяпкулова "Работа с последовательными портами в Windows 95" ("Радио", 2000, № 1, с. 23). В окне среды Delphi приложение выглядит, как показано на рис. 2.

Рассмотрим работу программного обеспечения и аппаратной части УСД в комплексе. После того, как вся система собрана и осуществлены все необходимые подключения, можно запускать приложение. На мониторе компьютера появится его окно. Микроконтроллер УСД в это время находится в режиме постоянного опроса приемника UART. Индикатор HL1 ("Готов к приему") светится. Программа микроконтроллера постоянно проверяет состояние бита RXC в регистре UCSRA, ожидая его перехода в единичное состояние. Система находится в режиме ожидания действий пользователя. Можно либо изменить коэффициент усиления измерительного тракта УСД, либо запустить цикл измерений. В первом случае следует "щелкнуть" по кнопке "Ку=0,5" или "Ку=1". За переключение коэффициента усиления в программе приложения отвечают компоненты RadioButton 1 и Radiobutton 2. к примеру, если "щелкнуть" по кнопке "Ку=0,5", то запустится обработчик события RadioButton2Click и переменная Каmр примет значение 110. Этот код соответствует уменьшенному коэффициенту усиления (условно Ку=0,5). Теперь можно нажать кнопку "Start" (на рис. 2 она не видна, так как поверх нее находится кнопка "Complete"), запустив тем самым цикл измерений.

Здесь целесообразно рассмотреть общую идеологию обмена данными между УСД и ПК. Однажды запущенный цикл измерений должен быть когда-то остановлен. В описываемой системе принята следующая тактика. Измерение проводится не непрерывно, а с интервалами чуть более 2 с (задается свойством Interval компонента Timerl в программе приложения). Триста измерений в каждом из каналов занимает чуть менее 2 с. Таким образом, если по событию Timer1Timer начать цикл измерений (300 измерений в каждом канале), то по его окончании до наступления следующего события Timer1Timer останется небольшое время, достаточное для реакции приложения на событие bbCompleteKeyPress (если была нажата кнопка "Complete"). Заметим, что за один цикл измерений УСД отправит ПК 1200 байт информации, так как результат каждого измерения состоит из двух байт.

Итак, после нажатия кнопки "Start" запускается таймер с периодом 110 мс (см. программу приложения, procedure TForml bbStartClick). По истечении этого времени управление переходит к обработчику события Timer1Timer. Через последовательный порт в УСД передается код 110 или 130 (уменьшенный или нормальный коэффициент усиления соответственно) - переменная Каmр. Микроконтроллер принимает эти данные, устанавливает требуемый коэффициент усиления, замыкая или размыкая ключ DA4.1, и ожидает приема новой информации. В это время ПК передает в УСД код 100 (переменная ActionKey в программе приложения). Микроконтроллер, приняв эту информацию, выключает индикатор HL1, включает индикатор HL2 ("Идет передача") и начинает цикл измерений (метка action в программе микроконтроллера) Проведя по одному измерению в каждом канале, микроконтроллер передает данные на ПК и делает короткую паузу, чтобы обеспечить необходимую частоту выборки сигнала. Затем измерения, передача данных и пауза повторяются еще 299 раз, после чего микроконтроллер переходит в режим ожидания информации от ПК (индикатор HL2 гаснет, a HL1 зажигается). Если за время цикла (≈2,1 с) была нажата кнопка "Complete", то сразу после окончания приема последнего из 1200 байт управление передается обработчику bbCompleteKeyPress. Компьютер передает на УСД код 120, который не распознается микроконтроллером как известный, вследствие чего УСД остается в режиме ожидания команды с ПК.

Если же кнопка "Complete" не была нажата, то новый цикл измерений запустится по наступлению события Timer1Timer. И так до тех пор, пока кнопка "Complete" не будет нажата.

Обработчик bbCompleteKeyPress, кроме того, обрабатывает принятую информацию и формирует текстовый файл, в котором результаты измерений представлены в удобной форме. Каждый цикл измерений назван здесь блоком с соответствующим номером. Фрагмент текстового файла data_temp.txt представлен на рис. 3. Текст содержит некоторое подобие "шапки" таблицы, где "№ изм" - номер измерения (от 1 до 300 в первом блоке); ИК - напряжение сигнала канала 1; dif ИК - разница между предыдущим и последующим измерениями канала 1; кр - напряжение сигнала канала 2; dif кр - разница между предыдущим и последующим измерениями канала 2; dif - отношение уровня сигнала первого канала к уровню второго.

Налаживание УСД сводится к установке напряжения +5 В подбором резистора R5 (оно должно быть не менее образцового на входе AREF DD1, но не более 6 В)

Микросхему КР1157ЕН1 (DA2) можно заменить импортным аналогом LM317L, а также любым регулируемым стабилизатором напряжения положительной полярности с выходным током не менее 30 мА. Вместо ОУ КР1446УД1А (DA3) можно использовать КР1446УД4А; применение модификаций с другими буквенными индексами нежелательно из-за большего напряжения смещения нуля.

Резисторы - металлодиэлектрические С2-23, С2-33; конденсаторы С1-C3 - оксидно-полупроводниковые танталовые К53-1, К53-4; остальные - керамические KM, К10-17. Дроссель L1 - унифицированный ДМ, ДПМ. Разъемы ХР1 - PLD10, XS1 - DRB-9FB. Кварцевый резонатор ZQ1- РК169МА-6АП-6000К.

Программы для микроконтроллера (программа 1) и ПК (программа 2)

Автор: М.Богданов, г.Саров Нижегородской обл.

Смотрите другие статьи раздела Компьютеры.

Читайте и пишите полезные комментарии к этой статье.

<< Назад

Последние новости науки и техники, новинки электроники:

Получение влаги из воздуха без затрат энергии 15.06.2025

Вода - один из важнейших ресурсов на планете, и поиск новых способов ее получения особенно актуален в условиях глобального изменения климата и растущей засухи. Традиционные методы сбора воды из воздуха часто требуют затрат энергии или высокой влажности, что ограничивает их эффективность и применение. Однако группа американских инженеров сделала значительный прорыв, разработав материал, способный извлекать воду из атмосферы без использования дополнительной энергии. Команда исследователей из Пенсильванского университета совместно с учеными из Технического университета Мюнхена представила новый класс наноматериалов, которые используют явление капиллярной конденсации. Этот процесс заключается в том, что водяной пар превращается в жидкость внутри крошечных пор материала, даже при невысокой влажности воздуха. Такое сочетание гидрофильных и гидрофобных элементов внутри наноструктуры позволяет собирать воду там, где традиционные методы оказываются бессильны. В ходе экспериментов ученые и ...>>

Динамическое изменение свойства света 15.06.2025

Современная наука стремится выйти за пределы традиционной электроники, используя свет для передачи и обработки информации. Управление свойствами света открывает новые горизонты в создании оптических компьютеров и устройств следующего поколения. Одним из ключевых направлений является возможность динамически изменять параметры света, такие как его поляризация и хиральность - способность электромагнитной волны вращаться по-разному. Недавнее открытие ученых из Университета Юты стало важным шагом в этом направлении. Исследователи представили инновационную программируемую гетероструктуру - сложный многослойный материал, в котором объединены выровненные углеродные нанотрубки и материалы с изменением фазы, например, германий-сурма-теллур (GST). Такое сочетание позволяет управлять поляризацией света не статично, как это было ранее, а динамично, с возможностью перепрограммирования. Ведущий автор проекта, Вейл Гао, сравнил предыдущие материалы с резными камнями - красивыми, но неподвижными, то ...>>

Холодные душ излечивает от стресса 14.06.2025

Стресс сегодня стал одной из самых распространенных проблем современного общества, и поиск эффективных способов его снижения является важной задачей для науки и медицины. Несмотря на разнообразие методик, не все из них доступны или удобны в повседневной жизни. Однако ученые все чаще обращают внимание на простые и доступные методы, которые могут помочь справиться с психологическим напряжением и улучшить общее самочувствие. Одним из таких способов, доказавшим свою эффективность, является холодный душ. Холодный душ - это простой, доступный и научно обоснованный способ улучшить не только психическое, но и физическое здоровье. Он стимулирует организм, помогает справиться со стрессом, повышает концентрацию и укрепляет силу воли. Несмотря на дискомфорт, который может возникать вначале, регулярное принятие холодных душей способно стать надежным инструментом для улучшения качества жизни. Американские исследователи под руководством Анны Мейер провели серию исследований, которые подтвердили ...>>

Случайная новость из Архива Дизтопливо из сахара 22.11.2012 Ученые из Калифорнийского университета реанимировали "заброшенную" технологию превращения крахмала во взрывчатку и с ее помощью создали процесс, позволяющий производить дизельное топливо. Методика производства дизельного топлива из продуктов бактериального брожения была разработана химиком Хаимом Вейцманом почти 100 лет назад. Она позволяет производить сочетание продуктов, которые содержат больше энергии на литр, чем этанол, который сегодня широко используется на транспорте и может стать коммерчески выгодным в течение 5-10 лет. Процесс Вейцмана основан на жизнедеятельности бактерии Clostridium acetobutylicum, которая способствует превращению сахаров в ацетон, бутанол и этанол. Американские ученые усовершенствовали технологию с помощью нового катализатора и увеличили выход ацетона и бутанола. В итоге при ферментации смеси производится меньше этанола, зато больше длинноцепочечных углеводородов, который похожи на сочетание углеводородов в дизельном топливе. Эта технология хороша тем, что использует для производства топлива широко распространенное возобновляемое сырье, сахар или крахмал, и позволяет производить непосредственно топливо или химические компоненты необходимые для изготовления, например, пластмасс. Испытания показали, что полученное новым способом топливо сгорает почти также, как и нефтяное дизтопливо, а значит - его можно смешивать с традиционным горючим. Новый процесс достаточно универсален и позволяет использовать широкий спектр возобновляемого сырья: от кукурузного сахара (глюкозы) и тростникового сахара (сахарозы) до крахмала, а также непродовольственного сырья (трава, ветки, солома и т.п.). При этом процесс можно настроить для получения различных углеводородов, включая легкие углеводороды похожие на бензин или топливо для реактивных двигателей. Изначально Вейцман разработал свою технологию для производства пороха. Однако вскоре нефть стала доступнее и дешевле, и технология Вейцмана не получила распространение, поскольку была слишком неэффективной. Сегодня американские ученые смогли создать катализатор на основе палладия и фосфата калия. Катализатор эффективно связывает этанол и бутанол и преобразует их в альдегиды. Затем альдегиды вступают в реакцию с ацетоном и производят длинноцепочечные углеводороды. Пока данная технология производит топливо более дорогое, чем нефтяное. Однако она может найти свою нишу, например, для снижения нефтяной зависимости. Кроме того, ученые ведут работу по замене дорогостоящих палладиевых катализаторов на более дешевые и эффективные, что сделает дизтопливо из сахара более конкурентноспособным.

Другие интересные новости:

▪ Монитор Samsung Odyssey 3D с объемным изображением без очков

▪ Луч притягивает предметы

▪ Насекомые тоже стареют

▪ Сухогруз для спецназа

▪ Миниэлектростанция для зарядки гаджетов

Лента новостей науки и техники, новинок электроники

Интересные материалы Бесплатной технической библиотеки:

▪ раздел сайта Устройства защитного отключения. Подборка статей

▪ статья Белая горячка. Крылатое выражение

▪ статья Сколько раз у нас меняются зубы? Подробный ответ

▪ статья Станочник шпалопильного станка. Типовая инструкция по охране труда

▪ статья Микрофонный усилитель. Энциклопедия радиоэлектроники и электротехники

▪ статья Транзисторы. Цветовая и кодовая маркировка. Энциклопедия радиоэлектроники и электротехники

Оставьте свой комментарий к этой статье:

www.diagram.com.ua
2000-2025