PODSTAWY MIERNICTWA w CHEMII (cz. III)

dla kierunku: CHEMIA – studia stacjonarne I-go stopnia

specjalno

ś

ci: - ekologia i monitoring

ś

rodowiska

- materiały niebezpieczne i ratownictwo chemiczne
- materiały wybuchowe i pirotechnika
- ochrona przed ska

ż

eniami

edycja:

2013 (semestr letni)

002

3. POMIARY WSPOMAGANE KOMPUTEROWO

3.1. Mikrokontrolery w pomiarach

OGÓLNE WIADOMO

Ś

CI O SYSTEMACH MIKROPROCESOROWYCH

I MIKROKONTROLERACH

procesor - układ zbudowany z podzespołów cyfrowych przeznaczony do
wykonywania prostych operacji na danych cyfrowych

mikroprocesor - procesor wykonany w technologii monolitycznej

mikrokontroler (komputer jednoukładowy) - układ scalony z wyspecjalizowany
mikroprocesorem spełniaj

ą

cy 2 podstawowe kryteria:

- jest zdolny do autonomicznej pracy, tzn. w najprostszych zastosowaniach

nie wymaga przył

ą

czenia zewn

ę

trznych układów pomocniczych,

np. pami

ę

ci,

- został zaprojektowany z my

ś

l

ą

o pracy w systemach kontrolno-

pomiarowych, a wi

ę

c ma rozbudowany system komunikacji z otoczeniem,

zarówno przy u

ż

yciu sygnałów cyfrowych, jak i analogowych.

003

KLASYCZNA STRUKTURA MIKROKONTROLERA

we. analogowe
we. cyfrowe

wy. analogowe
wy. cyfrowe

problemy:
-jak wielko

ś

ci analogowe (napi

ę

cia, pr

ą

dy) przekształcane s

ą

do postaci cyfrowej,

-jak kodowane s

ą

warto

ś

ci w cyfrowych układach elektronicznych

004

KODY LICZBOWE

707

10

= 10 1100 0011

2

= 2C3

16

liczba dziesi

ę

tna

zapis w kodzie
dwójkowym (binarnym)

reprezentacja szesnastkowa
(heksadecymalna)

707

10

= 0111 0000 0111

BCD

zapis w systemie dziesi

ę

tnym, dwójkowym i szesnastkowym:

kod BCD

005

00
01
02
03
04
05
06
07
08
09
10
11
12
13
14
15

RÓ

ś

NE METODY ZAPISU LICZB ZE ZNAKIEM

zapis liczb w tzw.
kodzie Graya

006

ZAPIS LICZB ZMIENNOPRZECINKOWYCH

n = (-1)

S

· M · 2

E

według standardu ANSI/IEEE 754-1985

007

PRZETWARZANIE SYGNAŁÓW ANALOGOWYCH NA CYFROWE
I CYFROWYCH NA ANALOGOWE - UWAGI OGÓLNE

wej

ś

cia

cyfrowe

wej

ś

cia

steruj

ą

ce

U

wy

wyj

ś

cia

cyfrowe

wej

ś

cia

steruj

ą

ce

U

we

przetwornik cyfrowo-analogowy
(przetwornik C/A, DAC)

przetwornik analogowo-cyfrowy
(przetwornik A/C, ADC)

008

- próbkowanie
- kwantowanie
- kodowanie

0000 1010

0001 0110

0011 1011

0010 0110

.... ....

PRZETWARZANIE ANALOGOWO-CYFROWE

009

charakterystyki widmowe przed (a)
i po (b) próbkowaniu

przebieg

ś

ci

ś

le dolnopasmowy jest

całkowicie okre

ś

lony przez próbki

pobierane z cz

ę

stotliwo

ś

ci

ą

co najmniej 2-krotnie wi

ę

ksz

ą

od

maksymalnej cz

ę

stotliwo

ś

ci

wyst

ę

puj

ą

cej w widmie próbkowanego

sygnału.

TWIERDZENIE O PRÓBKOWANIU (tw. Shannona)

010

bł

ą

d

dyskretyzacji

bł

ą

d

nachylenia

bł

ą

d

liniowo

ś

ci

bł

ą

d

monotoniczno

ś

ci

BŁ

Ę

DY PRZETWARZANIA A/C i C/A

011

PRZETWORNIKI CYFROWO-ANALOGOWE - przykładowe rozwi

ą

zania (I)

sie

ć

rezystorów
wagowych

012

PRZETWORNIKI CYFROWO-ANALOGOWE - przykładowe rozwi

ą

zania (II)

drabinka rezystorów R - 2R

013

prosty przetwornik 8-bitowy

PRZETWORNIKI CYFROWO-ANALOGOWE - przykładowe rozwi

ą

zania (III)

014

PRZETWORNIKI CYFROWO-ANALOGOWE - sposoby sterowania (I)

przesyłanie danych za pomoc

ą

szyny 10-bitowej

przesyłanie danych
w dwóch bajtach

015

szeregowa transmisja danych

PRZETWORNIKI CYFROWO-ANALOGOWE - sposoby sterowania (II)

016

PRZETWORNIKI ANALOGOWO-CYFROWE
- przetwarzanie bezpo

ś

rednie

przetwornik równoległy (flash)

017

PRZETWORNIKI ANALOGOWO-CYFROWE - metoda kompensacyjna

018

schemat

blokowy

przebiegi

napi

ęć

tłumienie

zakłóce

ń

PRZETWORNIKI ANALOGOWO-CYFROWE - przetwornik integracyjny
z podwójnym całkowaniem

019

PRZETWORNIKI ANALOGOWO-CYFROWE - przetwornik w analizatorze amplitudy
(metoda czasowa prosta, przetwornik Wilkinsona)

przebiegi

napi

ęć

schemat

blokowy

020

PRZETWORNIKI ANALOGOWO-CYFROWE - przetwornik z równowa

ż

eniem

ładunku (przetwornik delta-sigma)

021

PORÓWNANIE RÓ

ś

NYCH METOD PRZETWARZANIA A/C

022

PRZETWORNIK ANALOGOWO-CYFROWY W SYSTEMIE
MIKROPROCESOROWYM

023

NA STYKU TECHNIKI ANALOGOWEJ I CYFROWEJ (I)

układ próbkuj

ą

co-pami

ę

taj

ą

cy (sample & hold)

024

przeł

ą

czniki - multipleksery

NA STYKU TECHNIKI ANALOGOWEJ I CYFROWEJ (II)

025

PRZYKŁAD SYSTEMU POMIAROWEGO Z MIKROKONTROLEREM:
blok detekcyjny do pomiaru st

ęż

enia gazu (I)

026

PRZYKŁAD: blok detekcyjny do pomiaru st

ęż

enia gazu (II)

027

przykład:

w jednym pomiarze:

w 1000 pomiarach

n

s

= 10 (sygnał)

n

s

= 1000 x 10 = 10 000

n

b

= 1000 (tło)

n

b

= (1000 x 1000)

1/2

= 1000

PRZYKŁAD WYKORZYSTANIA PRZETWARZANIA SYGNAŁU
- U

Ś

REDNIANIE CYFROWE

S/N ~ t

1/2

028

round(M/2)

l

:

gdzie

)

j

l

i

(

x

M

1

)

i

(

y

1

M

0

j

=

+

−

=

∑

−

=

CYFROWY FILTR Z RUCHOM

Ą

Ś

REDNI

Ą

(moving average filter)

029

OBLICZANIE

Ś

REDNIEJ (a) i U

Ś

REDNIANIE MEDIANOWE

030

ANALIZA WIDMOWA I FILTRACJA CYFROWA

USING OF FOURIER TRANSFORM IN DECONVOLUTION

031

032

Systemy pomiarowe oparte na komputerach klasy PC

PRZESYŁANIE SYGNAŁÓW ANALOGOWYCH - standard 4 ÷ 20 mA

p

ę

tla pr

ą

dowa:

sygnały wej

ś

ciowe i wyj

ś

ciowe:

033

PRZESYŁANIE SYGNAŁÓW CYFROWYCH - RODZAJE INTERFEJSÓW

034

RÓ

ś

NE TECHNOLOGIE PRZESYŁANIA SYGNAŁÓW (I)

przesyłanie za pomoc

ą

kabla

koncentrycznego:

przesyłanie sygnałów za pomoc

ą

„symetrycznej skr

ę

tki”;

035

RÓ

ś

NE TECHNOLOGIE PRZESYŁANIA SYGNAŁÓW (II)

proste zł

ą

cze

ś

wiatłowodowe:

036

bariera optoizolacyjna:

RÓ

ś

NE TECHNOLOGIE PRZESYŁANIA SYGNAŁÓW (III)

037

ZŁ

Ą

CZE SZEREGOWE RS-232 (I)

ró

ż

ne warianty kabli:

DTE = data terminal equipment
DCE = data communication equipment

038

ZŁ

Ą

CZE SZEREGOWE RS-232 (II)

istota transmisji szeregowej:

039

MAGISTRALA RS-485

struktura ła

ń

cuchowa:

moduły pomiarowe:

040

MAGISTRALA USB (I) – struktura doł

ą

czania urz

ą

dze

ń

parametry:

- szybko

ść

transmisji: do 400 Mb/s

- liczba urz

ą

dze

ń

: do 127

- długo

ść

kabla: do 5 m

041

MAGISTRALA USB (II)

struktura pakietu danych (ramka komunikatu):

ko

ń

cówki kabli USB:

042

MODUŁ POMIAROWY USB

043

INTERFEJS RÓWNOLEGŁY
GPIB
(IEEE-488/IEC-625)

ł

ą

czenie urz

ą

dze

ń

„w gwiazd

ę

” (a)

i szeregowo (b)

parametry:

- szybko

ść

transmisji: do 1 MB/s (8 MB/s)

- liczba urz

ą

dze

ń

: do 15

- długo

ść

kabla: do 20 m

- najwa

ż

niejsza zaleta: presti

ż

- wady: drogi i skomplikowany kabel (24 p), specjalna karta do komputera

044

UNIWERSALNE KARTY DAC (Digital Acquisition Cards)

karty specjalne:

- o du

ż

ej szybko

ś

ci działania (1MS/12bit)

- o du

ż

ej dokładno

ś

ci

- z izolacj

ą

galwaniczn

ą

- ze specjalnymi wej

ś

ciami (temp., 0..20 mA)

045

STRUKTURA WEWN

Ę

TRZNA TYPOWEJ KARTY POMIAROWEJ

046

SYSTEM POMIAROWY OPARTY NA KARTACH DAC

047

procedure PCL818Hinit;

begin

PCLparam[0]:=0; { Board number }

PCLparam[1]:=$300; { Base I/O adress }

PCLparam[2] := 1; { Buffer A DMA channel }

PCLparam[4] := 3; { IRQ level : IRQ3 }

PCLparam[5] := 5; { Pacer Rate = 100us }

PCLparam[6] := round(Result.SampRate/5.0); { Pacer Rate }

PCLparam[7] := 0; { Trigger mode, 0 : pacer trigger }

PCLparam[8] := 0; { Non-cyclic }

PCLparam[12] := 0; { Data buffer B address, if not used,}

PCLparam[13] := 0; { must set to 0. }

PCLparam[14] := 1200; { A/D conversion number }

PCLparam[15] := 0; { A/D conversion start channel }

PCLparam[16] := 1; { A/D conversion stop channel }

PCLparam[17] := Result.GainCode; { Overall gain code }

PCLfunc:=3;

pcl818H(PCLfunc,PCLparam[0]); { Func 3 : PCL818H init. }

end;

PCL-818H - PRZYKŁAD OPROGRAMOWANIA
organizacja pomiaru + inicjalizacja karty

048

procedure PomiarSygn;

var

DataBuff :array[0..1200] of word;

j :word;

begin

PCLparam[10] := ofs(DataBuff[0]); { Offset of A/D data buffer A }

PCLparam[11] := seg(DataBuff[0]); { Segment of A/D data buffer A }

PCLfunc :=6;

pcl818H(PCLfunc,PCLparam[0]); { Func 6: Pacer trigger A/D conv. }

if PCLparam[45]<>0 then PrintTextWndw(5,textnum(PCLparam[45],5,0,' '));

repeat

PCLfunc := 7;

pcl818H(PCLfunc,PCLparam[0]); { Func 7: Check DMA status }

until((PCLparam[46] AND 1) = 0); { 0 : not active, 1 : active }

for j:=1 to 512 do

begin

Result.SignalS1[j]:=(DataBuff[2*j] shr 4);

Result.SignalS2[j]:=(DataBuff[2*j+1] shr 4);

end;

end;

PCL-818H - PRZYKŁAD OPROGRAMOWANIA
dwukanałowy pomiar sygnału

049

„FIRMOWE” OPROGRAMOWANIE NARZ

Ę

DZIOWE

049