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.

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