Obiektowa stacja systemu akwizycji danych
P R O J E K T Y
Obiektowa stacja
systemu akwizycji
danych, część 1
AVT-828
Pomiary wielkości
analogowych w sposÛb
cyfrowy cieszÄ… siÍ sporym
zainteresowaniem naszych
CzytelnikÛw. Prezentowane
w artykule urzÄ…dzenie jest
podstawowym modułem
profesjonalnego systemu
akwizycji danych, ktÛry po
obudowaniu dodatkowymi
modułami mołna wykorzystaĘ
w dowolnych systemach
kontroli i nadzoru rÛÅ‚nych
procesÛw.
W tej czÍÅ›ci artykuÅ‚u
prezentujemy konstrukcjÍ
obiektowej stacji akwizycyjnej,
ktÛra stanowi ìmÛzgî
kompletnego systemu
Wprowadzenie tora (np. nowe nastawy regulacji)
pomiarowego.
Na poczÄ…tek kilka sÅ‚Ûw o typo- i zajmuje siÍ mniej lub bardziej
wych systemach pomiarowych rozbudowanÄ… obrÛbkÄ… danych: ty-
i sterowania, stosowanych w rÛÅ‚- powym standardem jest wizualiza-
nych dziedzinach. Od dÅ‚uÅ‚szego cja, prezentacja trendÛw (czyli wy-
czasu prym dzierÅ‚y koncepcja nad- kresÛw czasowych), generowanie
zorujÄ…cego terminala operatorskie- alarmÛw, archiwizacja oraz przy-
go (najczÍÅ›ciej komputer klasy PC), gotowywanie raportÛw.
połączonego siecią ze stacjami W zalełności od potrzeb oraz
obiektowymi. Stacja obiektowa to stopnia skomplikowania systemu
praktycznie teł komputer, ale ina- sieci mogą byĘ wielopoziomowe,
czej zbudowany: korzystaĘ z rÛÅ‚nych noÅ›nikÛw, zaÅ›
- przystosowany do pracy w ciÍÅ‚- stacje obiektowe sÄ… wyposaÅ‚ane
kich warunkach, w jeden lub wiÍcej procesorÛw
- o budowie moduÅ‚owej (np. euro- o rÛÅ‚nej mocy i odpowiedniÄ… liczbÍ
karty w kasecie), specjalizowanych kart (pomiarowe
- z oprogramowaniem przeznaczo- z przetwornikami A/C, cyfrowe -
nym do wykonywania zadaÒ dwustanowe, wyjÅ›ciowe - przekaü-
związanych z pomiarami i bez- nikowe, wyjściowe z przetwornika-
poÅ›rednim sterowaniem. mi C/A itd.), wpiÍtych w szybkÄ…,
Na ogÛÅ‚ stacje obiektowe sÄ… rÛwnolegÅ‚Ä… magistralÍ. UkÅ‚ady mo-
przewidziane do pracy samodziel- gÄ… siÍ rÛÅ‚niĘ szybkoÅ›ciÄ… dziaÅ‚ania,
nej - nawet przy wyłączonym a takłe niezawodnością - w przy-
terminalu gÅ‚Ûwnym. Natomiast ter- padkach szczegÛlnie odpowiedzial-
minal zbiera z nich sukcesywnie nych stosuje siÍ systemy zwielo-
dane, przekazuje polecenia opera- krotnione.
Elektronika Praktyczna 9/99
34
Obiektowa stacja systemu akwizycji danych
Rys. 1. Schemat blokowy systemu akwizycji danych.
W EP nieraz przedstawiano pro- towaĘ własny, uproszczony system znaczny udział stosowanie sze-
fesjonalne rozwiÄ…zania przemysÅ‚o- pomiarowy, ktÛry przy niewspÛÅ‚- roko dostÍpnych w kraju elemen-
we ukÅ‚adÛw (np. cykl artykuÅ‚Ûw miernie niskich nakÅ‚adach bÍdzie tÛw);
o produktach firmy Allen-Bradley), radził sobie z postawionymi ogra- - jeszcze wałniejsza jest niezaleł-
ktÛre potrafiÄ… sprostaĘ naprawdÍ niczonymi zadaniami nie gorzej nośĘ programowa - nie ma w sys-
trudnym i odpowiedzialnym zada- niÅ‚ rozbudowane, uniwersalne sys- temie ìczarnych skrzynekî, do
niom. temy przemysÅ‚owe czoÅ‚owych firm. ktÛrych nie mamy wglÄ…du (pro-
JednakÅ‚e istnieje duÅ‚y obszar PrzedstawiÍ opis takiego syste- ducenci na ogÛÅ‚ nie udostÍpniajÄ…
zastosowaÒ o znacznie mniejszych mu zmontowanego i oprogramowa- informacji uÅ‚atwiajÄ…cych Å‚ycie
wymaganiach. Mołe na przykład nego dla potrzeb zaplecza techno- konkurencji);
chodziĘ o zgrupowanie i ujednoli- logicznego produkcyjnego zakładu - swoboda w dołączaniu istnieją-
cenie odczytÛw gotowych urzÄ…- przemysÅ‚owego. System jest prze- cych urzÄ…dzeÒ rÛÅ‚nych firm
dzeÒ pomiarowych (jak liczniki znaczony gÅ‚Ûwnie dla urzÄ…dzeÒ i o rÛÅ‚nych standardach komuni-
energii w rÛÅ‚nej postaci). WartoÅ›ci ciepÅ‚owniczych, ze szczegÛlnym kacji;
wielu wielkoÅ›ci fizycznych czÍsto uwzglÍdnieniem pomiaru zuÅ‚ycia - niewymierna ale istotna satysfak-
nie muszą byĘ mierzone superdo- energii (para i gorąca woda), ale cja ze swobody projektowania
kÅ‚adnie i bardzo szybko, gdyÅ‚ np. obejmuje teÅ‚ kontrolÍ sieci prze- oraz tworzenia urzÄ…dzeÒ od A do
bardziej istotna jest znajomośĘ ciwpoÅ‚arowej, sprÍÅ‚onego powiet- Z - w tym przypadku od np.
przebiegu ich zmian w dłułszych rza, wodociągowej. Ta aplikacja czujnika temperatury wstawione-
okresach. CzÍsto stacje potrzebne realizuje tylko akwizycjÍ danych, go w rurociÄ…g do wykresu na
sÄ… raczej do celÛw ogÛlnej kontroli ale moduÅ‚owa budowa pozwala na monitorze w dziale nadzoru.
pracy obiektu nił do bardzo pre- łatwe dodanie funkcji sterowania. Załołenia były właśnie takie
cyzyjnego wyznaczania jego stanu MoÅ‚e siÍ wydawaĘ, Å‚e przy obec- jak wspomniane wyÅ‚ej: niezbyt
w kaÅ‚dej chwili. nej ofercie rynkowej jest to wy- wygÛrowane wymogi co do szyb-
Nie ma wtedy uzasadnienia waÅ‚anie otwartych drzwi, lecz koÅ›ci i dokÅ‚adnoÅ›ci pomiarÛw, mi-
ekonomicznego dla projektowania kompletne wykonanie wÅ‚asnego nimalizacja kosztÛw, jako terminal
i montaÅ‚u peÅ‚nego, rozbudowanego systemu wraz z oprogramowaniem operatorski - wspÛlny biurowy
i w zwiÄ…zku z tym drogiego syste- posiada szereg istotnych zalet: komputer ogÛlnego stosowania. Na-
mu - chociaÅ‚ dla obsÅ‚ugi i nadzoru - caÅ‚kowita swoboda konfiguracji tomiast naleÅ‚aÅ‚o uwzglÍdniĘ pracÍ
obiektu takie oprzyrzÄ…dowanie bez oglÄ…dania siÍ na dostÍpne bez przerw, ciÄ…gÅ‚Ä… rejestracjÍ i ar-
i ewentualnie elementy sterowania opcje; chiwizacjÍ danych, sporzÄ…dzanie
stanowiÄ… zawsze ogromne uÅ‚atwie- - niezaleÅ‚nośĘ sprzÍtowa: Å‚atwośĘ bilansÛw zuÅ‚ycia energii oraz udo-
nie pracy. W takich przypadkach serwisu i napraw oraz ewentual- stÍpnienie przeglÄ…dania trendÛw
okazuje siÍ, Å‚e moÅ‚emy zaprojek- nych modernizacji (w czym ma nie tylko na poziomie terminala,
Elektronika Praktyczna 9/99
35
Obiektowa stacja systemu akwizycji danych
ale rÛwnieÅ‚ na poziomie obiekto- (opisywanym wczeÅ›niej) oraz na konaniach przemysÅ‚owych o cenie
wym (to wielkie uÅ‚atwienie dla odpowiednich elementach decyduje czÍsto masywna, odporna
pracownikÛw obsÅ‚ugi bezpoÅ›red- (PCF8574, PCF8591, 24C04). Algo- obudowa - tutaj akurat zbÍdna).
niej). WynikÅ‚a z nich nastÍpujÄ…ca rytm komunikacji obejmuje: Taka technologia chociaÅ‚ nie
konfiguracja: - kolejne wywoÅ‚ywanie podÅ‚Ä…czo- ìrzuca na kolanaî, jednak przy
- obiektowa stacja akwizycji da- nych moduÅ‚Ûw, starannym wykonaniu cechuje siÍ
nych o budowie moduÅ‚owej opar- - wykrywanie ewentualnego bÅ‚Ídu niezawodnoÅ›ciÄ… nie gorszÄ… niÅ‚
tej o magistralÍ I2C, lub awarii moduÅ‚u, wielkoseryjne wyroby przemysÅ‚o-
- lokalne panele odczytowe z wy- - odczytywanie danych z modu- we. Umołliwia teł szybkie i nie-
Å›wietlaczami graficznymi LCD Å‚Ûw, kÅ‚opotliwe dokonywanie ewentual-
240x64, - zwalnianie na pewien czas ma- nych napraw.
- koncentrator/bufor danych gro- gistrali dla wewnÍtrznych po-
madzÄ…cy wyniki pomiarÛw trzeb niektÛrych moduÅ‚Ûw (o ModuÅ‚ MD-590
w czasie rzeczywistym, szczegÛÅ‚ach w opisach moduÅ‚Ûw). Opis rozpocznÍ od najbardziej
- oprogramowanie terminala - uru- Zastosowanie magistrali I2C ra- złołonego modułu pomiaru tempe-
chamiane w dowolnym momen- dykalnie upraszcza konstrukcjÍ ratury i komunikacji z dodatkowy-
cie - odczytujÄ…ce dane zgroma- oraz montaÅ‚ stacji, natomiast szyb- mi urzÄ…dzeniami zewnÍtrznymi.
dzone w buforze i poddajÄ…ce je kośĘ w opisywanym zastosowaniu ZwrÛĘmy uwagÍ, Å‚e rÛÅ‚ne szcze-
dalszej obrÛbce (Windows) oraz jest caÅ‚kowicie wystarczajÄ…ca.
gÛÅ‚y konstrukcji (sposÛb uÅ‚ycia
wizualizacji. Zebrane dane sÄ… cyklicznie for- przetwornika AD590, cyfrowa ka-
W niniejszym artykule zajmÍ siÍ mowane w ramkÍ i wysyÅ‚ane do
libracja torÛw analogowych, oprog-
konstrukcjÄ… oraz oprogramowaniem terminala operatora. Jak widaĘ ramowanie mikrokontrolera, wspÛÅ‚-
moduÅ‚owego zespoÅ‚u akwizycji da- z powyÅ‚szego, Å‚atwo jest zarÛwno
praca z magistralą I2C) mogą byĘ
nych. przeorganizowaĘ strukturÍ stacji z powodzeniem wykorzystane
(moduły, dodatkowe urządzenia ze- w całkiem innych, własnych roz-
Schemat blokowy wnÍtrzne), jak i wprowadziĘ prze- wiÄ…zaniach.
syłanie komend i danych do mo- Na schemacie modułu (rys. 2)
i załołenia konstrukcji
duÅ‚Ûw wykonawczych (ktÛre, jak moÅ‚emy wyrÛÅ‚niĘ - chociaÅ‚ nie
stacji obiektowej
zaznaczyÅ‚em, w prototypowej apli- jest to wyraünie zaznaczone -
Stacja skÅ‚ada siÍ z:
kacji nie wystÍpujÄ…). czÍśĘ analogowÄ… i czÍśĘ cyfrowÄ….
- kontrolera z procesorem 80C652,
SprzÍtowa realizacja moduÅ‚Ûw
ktÛry ze stronÄ… obiektowÄ… poro-
podlegaÅ‚a tym samym oszczÍdnoÅ›- CzÍśĘ cyfrowa moduÅ‚u
zumiewa siÍ za poÅ›rednictwem
ciowym zasadom, co cała koncep- Do sterowania funkcjami modu-
magistrali I2C, natomiast do ko-
cja systemu: łu ułyłem mikrokontrolera 80C552,
munikacji ìze Å›wiatemî wyko-
- przewidziaÅ‚em w miarÍ moÅ‚li- ktÛry przy umiarkowanej cenie
rzystuje swÛj interfejs UART (w
woÅ›ci stosowanie dostÍpnych posiada wbudowane wszystkie wy-
opisywanej aplikacji jest wyko-
i rozpowszechnionych (a tym sa- magane dla zakładanego zastoso-
rzystywany tylko nadajnik),
mym niedrogich) elementÛw, wania ukÅ‚ady peryferyjne:
- moduÅ‚Ûw pomiaru temperatury
- obudowy i galanteria połączenio- - 8-kanałowy 10-bitowy przetwor-
i komunikacji z urzÄ…dzeniami ze-
wa jak najprostsze (np. montał nik A/C realizujący pomiary tem-
wnÍtrznymi (MD-590),
bezpośrednio do płyty szafy po- peratury,
- moduÅ‚Ûw wspÛÅ‚pracujÄ…cych z ty-
miarowej - bez stosowania - port szeregowy UART do komu-
powymi przemysłowymi prze-
uchwytÛw na eurolistwÍ, typowe nikacji z dodatkowymi urzÄ…dze-
twornikami dwuprzewodowymi
gniazda i wtyczki DB itd.), niami (przewałnie wyposałony-
4..20mA (MA-420),
- montał przewlekany na płytkach mi w interfejs RS232C),
- moduÅ‚Ûw wejśĘ dwustanowych
jednowarstwowych, wykonanych - port szeregowy I2C do połączenia
typu pÍtla prÄ…dowa (MI-8).
w małej serii technologią foto- z magistralą stacji obiektowej,
PrzyjÍte nazwy moduÅ‚Ûw uÅ‚at-
chemicznÄ… (bez angaÅ‚owania ko- - wewnÍtrzny licznik - watchdog
wiajÄ… ich identyfikacjÍ w opisach
mercyjnych wykonawcÛw ze- do kontroli poprawnoÅ›ci pracy
i dokumentacji, są teł związane
wnÍtrznych), programu,
z ich funkcjami.
- zastÄ…pienie w moÅ‚liwie szerokim - wewnÍtrznÄ… pamiÍĘ danych
Mołliwe jest oczywiście uprasz-
zakresie typowych przemysÅ‚o- zwiÍkszonÄ… do 256B,
czanie lub rozbudowywanie syste-
wych przetwornikÛw pomiaro- - obudowa PLCC68 pozwala na
mu albo wrÍcz doprojektowanie
wych własnymi rozwiązaniami. montał mikrokontrolera w pod-
caÅ‚kiem nowych moduÅ‚Ûw. Do po-
DotyczyÅ‚o to gÅ‚Ûwnie pomiarÛw stawce (ma to przy maÅ‚ej serii
trzeb demonstracyjnych powstał ze-
temperatury, gdzie zastosowaÅ‚em urzÄ…dzeÒ istotne znaczenie
staw modelowy z oddzielnie za-
czujniki wykonane w oparciu w prowadzeniu serwisu). DziÍki
projektowanym i oprogramowanym
o AD590. temu mołna było maksymalnie
kontrolerem, ktÛry obsÅ‚uguje po
NajwaÅ‚niejsze jest tutaj - w po- uproÅ›ciĘ konstrukcjÍ czÍÅ›ci cyf-
jednym z wyłej wspomnianych
rÛwnaniu z klasycznym Pt100 - rowej moduÅ‚u oraz zmontowaĘ
moduÅ‚Ûw i wspÛÅ‚pracuje z uprosz-
radykalne uproszczenie okablowa- go na płytce jednowarstwowej.
czonym programem wizualizacji
nia obiektowego, ktÛre moÅ‚na byÅ‚o Mikrokontroler U1 pracuje
dla Win 32. Schemat blokowy
zrealizowaĘ z uÅ‚yciem nieekrano- w ukÅ‚adzie z zewnÍtrznÄ… pamiÍciÄ…
modelu jest przedstawiony na rys.
wanego, wieloparowego kabla te- programu U3 (27C64) o pojemnoÅ›-
1.
lefonicznego. Prostsze sÄ… rÛwnieÅ‚ ci 8kB. Bufor U2 strobowany syg-
Komunikacja wewnÍtrzna stacji
wzmacniacze wejściowe, koszt nałem ALE ustawia młodszy bajt
bazuje na sprzÍtowym interfejsie
czujnika teł jest mniejszy (w wy- adresu - jak w kałdym typowym
I2C procesorÛw 80C652 i 80C552
Elektronika Praktyczna 9/99
36
Obiektowa stacja systemu akwizycji danych
Rys. 2. Schemat elektryczny urzÄ…dzenia.
Elektronika Praktyczna 9/99
37
Obiektowa stacja systemu akwizycji danych
rozwiÄ…zaniu dla serii MCS. Ponie- NaleÅ‚y pamiÍtaĘ, zwÅ‚aszcza w trak- analogowych przewidziaÅ‚em od-
waÅ‚ niezbÍdne w naszym zastoso- cie uruchamiania i kalibracji mo- dzielny stabilizator ST2, co zapew-
waniu dane mieszczÄ… siÍ w pamiÍ- duÅ‚u, Å‚e podciÄ…gniÍcie (pull-up) nia niezbÍdnÄ… separacjÍ (zwrÛĘmy
ci wewnÍtrznej - zewnÍtrzna pa- linii SDA i SCL jest wbudowane teÅ‚ uwagÍ na rozdzielone dopro-
miÍĘ danych nie zostaÅ‚a uÅ‚yta. w kontrolerze stacji - do samo- wadzenie mas na pÅ‚ytce drukowa-
Kwarc - 11,059MHz - jest dobrany dzielnej pracy modułu naleły je nej). Natomiast cały moduł jest
pod kÄ…tem optymalizacji transmisji oddzielnie doÅ‚Ä…czyĘ. Port P4 oraz zasilany zewnÍtrznym napiÍciem
szeregowej RS232 dla rÛÅ‚nych wyjÅ›cia PWM nie sÄ… w naszej stabilizowanym +12V, dostarcza-
prÍdkoÅ›ci (gdyÅ‚ moduÅ‚ ma wspÛÅ‚- aplikacji wykorzystywane - pozo- nym przez zabezpieczajÄ…cÄ… przed
pracowaĘ z rÛÅ‚nymi urzÄ…dzeniami stajÄ… nie podÅ‚Ä…czone. odwrÛceniem polaryzacji diodÍ D2
o rozmaicie zorganizowanej komu- Do ośmiu linii wejściowych (Schottky'ego) i dodatkowo wygła-
nikacji). Wyprowadzenia kontrolne portu P5 są doprowadzone sygnały dzonym pojemnością C5. Dioda D1
i funkcyjne mikroprocesora sÄ… wy- pomiaru temperatury z torÛw ana- z kondensatorem C1 sÅ‚uÅ‚Ä… nato-
korzystane nastÍpujÄ…co: logowych. SÄ… one wewnÍtrznie miast do zasilenia przetwornikÛw
- EA - poziom niski decyduje multipleksowane pod kontrolÄ… pro- AD590.
o korzystaniu z zewnÍtrznej pa- gramowÄ… i kolejno przetwarzane
miÍci programu, do postaci cyfrowej. Przetwornik CzÍśĘ analogowa moduÅ‚u
- EW - poziom niski powoduje ma rozdzielczośĘ 10-bitowÄ… czyli GÅ‚Ûwnym zadaniem czÍÅ›ci ana-
wÅ‚Ä…czenie wewnÍtrznego ukÅ‚adu generuje liczby w zakresie 0..1023. logowej jest przetworzenie sygnaÅ‚u
watchdoga, zwrÛĘmy uwagÍ, Å‚e WartośĘ jednego bitu jest okreÅ›- prÄ…dowego z czujnikÛw temperatu-
przy takim połączeniu kałdy lona jako: ry na odpowiedni wejściowy syg-
uruchamiany program musi za- Vb=(Vref+ - Vref-)/1024 naÅ‚ napiÍciowy dla juÅ‚ opisanego
wieraĘ sekwencjÍ resetu watch- natomiast wynik przetworzenia mo- - wbudowanego w mikrokontroler -
doga, gdyÅ‚ inaczej nie bÍdzie Å‚emy zapisaĘ jako: konwertera A/C. Na wstÍpie kilka
działaĘ, W=Vb*(Vin - Vref-). podstawowych informacji dotyczą-
- STADC - poziom niski - wyzwa- Vref+ i Vref- to napiÍcia dostarczo- cych przetwornika temperatura/
lanie konwersji A/C tylko na ne do odpowiednich pinÛw mik- prÄ…d. Jest to dwukoÒcÛwkowy
drodze programowej, rokontrolera. układ firmy Analog Devices typu
- P1.0, P1.2, P1.3 - uniwersalne W ten sposÛb moÅ‚emy sprzÍto- AD590. Przetwarza on temperaturÍ
linie WE/WY, wo ustaliĘ napiÍciowy zakres prze- w skali bezwzglÍdnej na prÄ…d ze
- P3.0 - odbiornik UART, twarzania oraz wprowadziĘ staÅ‚y wspÛÅ‚czynnikiem 1µA/K i jest fab-
- P3.1 - nadajnik UART, offset. Oczywiście jest to dopusz- rycznie kalibrowany na 0,2982mA
- P1.4 - linia DTR portu szerego- czalne jedynie w granicach wartoÅ›- dla +25oC.
wego RS232, ci dozwolonych przez konstrukcjÍ Tak jest oczywiÅ›cie w teorii -
- P1.5 - linia DSR portu szerego- mikrokontrolera. Nie zawsze wiÍc w praktyce przetworniki posiadajÄ…
wego RS232, - i tak jest w naszym przypadku - błąd kalibracji zalełny od odmia-
- P1.6 - linia SCL portu szerego- da siÍ ten sposÛb wykorzystaĘ. ny: od Ä…5oC dla AD590JH do
wego I2C, Nasz offset znacznie przekracza Ä…0,5oC dla AD590MH. Ze wzglÍdu
- P1.7 - linia SDA portu szerego- wymagany zakres pomiaru i reali- na cenÍ zastosowaÅ‚em odmianÍ JH
wego I2C, zujemy go na drodze analogowej (ok. szeÅ›ciokrotnie taÒszy niÅ‚
- P3.4 - P3.7 - wejÅ›cia przeÅ‚Ä…cz- podczas wstÍpnej obrÛbki sygnaÅ‚u. MH!), co wymaga dodatkowej ko-
nika adresowego S1. Vref- jest wiÍc u nas doÅ‚Ä…czone do rekty, ktÛra zostanie dokÅ‚adniej
Port RS232 (RxD, TxD, DTR, masy (analogowej). Natomiast opisana dalej.
DSR) jest zrealizowany za pomocÄ… Vref+, decydujÄ…ce o zakresie, jest Przetwornik jest zmontowany
klasycznej kostki MAX 232 (U5) pobierane ze stabilizatora ST1. w metalowej obudowie TO-52 i ob-
z zewnÍtrznymi pojemnoÅ›ciami DobÛr wartoÅ›ci Vref+ bÍdzie omÛ- sÅ‚uguje zakres od -55oC do +150oC.
pompy ładunkowej C13 - C16. wiony dalej - teraz zaznaczmy Umołliwia to jego łatwe wbudo-
Zerowanie po wÅ‚Ä…czeniu zasila- jedynie drugÄ… waÅ‚nÄ… cechÍ takiego wanie w tulejowy czujnik przysto-
nia realizuje pojemnośĘ C10 sposobu jej ustalenia: zapewnienie sowany do instalacji w rurociągach
(zwrÛĘmy uwagÍ na brak rezystora odpowiedniej stabilnoÅ›ci termicz- gorÄ…cej wody.
ładującego - jest on wbudowany nej (stacja mołe pracowaĘ w po- Dodatkowymi ułytkowymi zale-
w strukturÍ mikrokontrolera). Dio- mieszczeniach technologicznych tami sÄ…:
da D3 dziÍki szybkiemu rozÅ‚ado- o znacznie podwyÅ‚szonej tempera- - duÅ‚y zakres napiÍcia zasilania
waniu tej pojemności poprawia turze). (od 4 do 30V),
skutecznośĘ dziaÅ‚ania resetu przy Jako ST1 jest zastosowane re- - duÅ‚a odpornośĘ na napiÍcie
krÛtkotrwaÅ‚ych spadkach lub zani- gulowane ürÛdÅ‚o napiÍcia odnie- zwrotne (do -20V),
kach napiÍcia zasilajÄ…cego. sienia o dobrych parametrach przy - duÅ‚a rezystancja dynamiczna,
Magistrala I2C (linie SDA i SCL) umiarkowanej cenie - TL431. Ele- ktÛra uniezaleÅ‚nia pracÍ prze-
jest wyprowadzona na zewnÄ…trz menty analogowe konwertera A/C twornika od wahaÒ napiÍcia za-
przez tÅ‚umiÄ…ce zakÅ‚Ûcenia w.cz. mikrokontrolera sÄ… przewidziane - silania oraz od rezystancji linii
rezystory R51 i R52 (do wspÛlnej ze wzglÍdu na minimalizacjÍ za- poÅ‚Ä…czeniowej (jest to szczegÛl-
magistrali stacji obiektowej). SÅ‚uÅ‚y kÅ‚ÛceÒ z czÍÅ›ci cyfrowej - do od- nie waÅ‚ne w naszym przypadku
teÅ‚ do obsÅ‚ugi wewnÍtrznej pamiÍ- dzielnego zasilania (+5V i masa). - o czym juÅ‚ wczeÅ›niej wspomi-
ci EEPROM modułu. W tej roli Zespoły cyfrowe modułu są zasi- nałem).
(U4) wystÍpuje kostka 24C04 - lane ze stabilizatora ST3 (jest to UkÅ‚ad konwersji: prÄ…d wejÅ›cio-
z wykorzystanÄ… tylko jednÄ… stronÄ… zarazem gÅ‚Ûwne zasilanie mikro- wy/napiÍcie jest uproszczony do
(moÅ‚e byĘ wiÍc takÅ‚e 24C02). kontrolera). Do zasilenia ukÅ‚adÛw maksimum.
Elektronika Praktyczna 9/99
38
Obiektowa stacja systemu akwizycji danych
przyjąĘ rÛÅ‚ne sposoby rozwiÄ…- kiej ocenie prawidÅ‚owoÅ›ci pracy
zania: kontrolowanych urzÄ…dzeÒ).
- PrzeprowadziĘ dokładne Całkowite wzmocnienie toru po-
obliczenia i zastosowaĘ ele- miarowego wynosi wiÍc: K=5bit/oC
menty o odpowiedniej pre- (powinno byĘ w zasadzie bit/deg,
cyzji, zapewniajÄ…cej wÅ‚aÅ›ci- ale pozostanÍ przy oC, aby nie
we parametry bez Å‚adnych komplikowaĘ zapisÛw).
korekt - ma to same zalety Jednocześnie wzmocnienie to
oprÛcz ceny takich ele- jest iloczynem wzmocnieÒ kolej-
mentÛw. nych czÅ‚onÛw toru:
- ZastosowaĘ ele- K=Kc*Kr*Kwop*Kconv, gdzie:
menty dobrane zgrubnie Kc - ìwzmocnienieî czujnika
i wyposaÅ‚yĘ ukÅ‚ad w po- temperatury = 1µA/oC,
trzebne regulacje (np. precy- Kr - ìwzmocnienieî rezystora
zyjne potencjometry montaÅ‚o- pomiarowego [mV/µA] (jest ono
we). Ta metoda jest bardzo rÛwne jego rezystancji podanej
czÍsto stosowana w konstruk- w kiloomach),
Rozpatrzmy go na przykÅ‚adzie cjach amatorskich (i nie tylko). Kwop - ìwzmocnienieî wzmac-
kanału nr 0 (jest 8 identycznych Jej istotnym mankamentem jest niacza operacyjnego [mV/mV],
kanaÅ‚Ûw numerowanych od 0 do jednak maÅ‚a stabilnośĘ czasowa Kconv - ìwzmocnienieî prze-
7). PrÄ…d z czujnika temperatury - i mechaniczna oraz kÅ‚opotliwy twornika A/C [bit/mV], zwrÛĘmy
wpÅ‚ywajÄ…cy przez wstÍpny filtr proces regulacji (nie wspomina- uwagÍ, Å‚e Kconv = 1/Vb.
R21 i C17 - jest przetworzony na jÄ…c o rozbudowie ukÅ‚adu, jego NaleÅ‚y wiÍc dobraĘ i zgraĘ te
spadek napiÍcia na rezystorze po- rozmiarach i cenie). wzmocnienia, aby uzyskaĘ zaÅ‚oÅ‚o-
miarowym R22. - W układach analogowo - cyfro- ny wynik.
SygnaÅ‚ napiÍciowy jest ponow- wych moÅ‚emy czÍśĘ analogowÄ… Ze wzglÍdu na poprawnośĘ pra-
nie filtrowany i uśredniany przez zbudowaĘ niezbyt precyzyjnie cy zastosowanego wzmacniacza
integrator R23/C21 (dobrany pod (koncentrujÄ…c siÍ nie na dokÅ‚ad- operacyjnego wstÍpnie przyjÄ…Å‚em
kÄ…tem eliminacji zakÅ‚ÛceÒ 50Hz - nych wartoÅ›ciach, ale raczej na roboczy zakres napiÍciowy na wej-
duÅ‚a staÅ‚a czasowa nie jest w na- dopasowaniu zakresÛw oraz sta- Å›ciu przetwornika A/C jako 3,000V:
szym zastosowaniu przeszkodą, bilności termicznej i czasowej). 0oC to 500mV, a 150oC to 3500mV.
gdył rzeczywista szybkośĘ zmian Natomiast wszelkie potrzebne ko- Gwarantuje to liniowośĘ wzmoc-
mierzonej temperatury jest nie- rekty realizujemy na drodze ob- nienia (TLC274 moÅ‚e mieĘ napiÍ-
wielka). Wynikowe napiÍcie jest liczeniowej juÅ‚ po konwersji A/ cie na wyjÅ›ciu od zera - z bÅ‚Ídem
podawane na nieodwracajÄ…ce we- C. Taki wÅ‚aÅ›nie sposÛb zostaÅ‚ ok. 50mV - do ok. Vcc-1,2V).
jście wzmacniacza U6D. Rezystory zastosowany w naszym module. Wynika z tego Vb=4mV/bit
R47 i R50 decydujÄ… o wzmocnie- Zacznijmy od okreÅ›lenia zakre- i wstÍpna wartośĘ napiÍcia odnie-
niu, a zarazem - dziÍki zasilaniu sÛw i rozdzielczoÅ›ci. Ze wzglÍdu sienia przetwornika:
R47 napiÍciem ze stabilizatora ST1 na potrzeby technologiczne wod- Vref+=1024*4=4096mV, natomiast
- jest zrealizowane przesuniÍcie nych urzÄ…dzeÒ ciepÅ‚owniczych Kconv=0,25 bit/mV.
poziomu sygnału (kompensujące przyjąłem zakres pomiarowy od Od strony czujnika mamy do
rÛÅ‚nicÍ skali Celsjusza i skali bez- 0oC do 150oC. Nie mieÅ›ci siÍ tu czynienia z sygnaÅ‚em prÄ…dowym
wzglÍdnej temperatur). Rezystor pomiar temperatury zewnÍtrznej o zakresie roboczym 150oC*1µA/
o
R46 pomiÍdzy wyjÅ›ciem wzmac- oraz pary wodnej - ale do tych C=0,1500mA mieszczÄ…cym siÍ
niacza a przetwornikiem A/C po- celÛw przewidziaÅ‚em inne prze- w granicach: 0oC to 0,2732 mA,
prawia stabilnośĘ pracy (tłumi tworniki. RozdzielczośĘ ustaliłem a 150oC to 0,4232mA.
wzbudzenia w.cz.). na 0,2oC (czyli LSB=0,2oC), wiÍc PrÄ…d ten jest przetwarzany na
Jako wzmacniacze zastosowa- zakres roboczy odpowiada 150oC/ sygnaÅ‚ napiÍciowy na rezystorze
Å‚em 2 poczwÛrne kostki stabilnego 0,2oC=750. Ten zakres roboczy lo- pomiarowym. Im wiÍksza wartośĘ
termicznie i czasowo TLC274, pra- kujemy mniej wiÍcej w Å›rodku rezystora, tym wiÍkszy jest wspÛÅ‚-
cujÄ…ce z pojedynczym napiÍciem peÅ‚nego cyfrowego zakresu prze- czynnik tej konwersji, co jest dla
zasilania i charakteryzujÄ…ce siÍ zni- twornika A/C (0 - 1023 LSB), nas korzystne, bo pozwala zredu-
komym prÄ…dem wejÅ›ciowym. Wy- wstÍpnie dla temperatury 0oC kowaĘ wzmocnienie Kwop (wzmac-
soka impedancja wejÅ›ciowa jest wynik konwersji A/C zaÅ‚ÛÅ‚my 150 niacz oprÛcz sygnaÅ‚u wzmacnia
w tym rozwiÄ…zaniu konieczna dla LSB, zaÅ› dla 150oC: 150 LSB + 750 rÛwnieÅ‚ wÅ‚asne napiÍcie niezrÛw-
zachowania poprawności pomiaru LSB (zakres roboczy) = 900 LSB. nowałenia). Jednak ograniczeniem
- nie moÅ‚na zastÍpczo stosowaĘ Zapewnia to poprawne wylicze- jest maksymalne napiÍcie wejÅ›cio-
ukÅ‚adÛw o wejÅ›ciach z tranzystora- nia, nawet przy przekroczeniu za- we, ktÛre przy zasilaniu +5V nie
mi bipolarnymi jak np. popularny kresu roboczego przez rzeczywisty powinno przekroczyĘ 4V.
LM324. pomiar. PrzyjmujÄ…c dla bezpieczeÒstwa
Nieco bardziej skomplikowana RozdzielczośĘ jest całkowicie ok. 3,8V znajdziemy maksymalną
jest sprawa doboru elementÛw, wystarczajÄ…ca dla naszych celÛw wartośĘ rezystora pomiarowego:
ktÛrej naleÅ‚y poÅ›wiÍciĘ wiÍcej (w praktyce zastosowaÅ‚em w osta- 3,8V/0,423mA, czyli ok. 9k&!.
uwagi. Na wstÍpie niewielka dyg- tecznej wizualizacji zaokrÄ…glenie PoniewaÅ‚ do dyspozycji byÅ‚y
resja dotycząca zasad budowania do pełnych stopni: jak pokazało rezystory metalizowane o wartości
takich analogowych czÅ‚onÛw po- doÅ›wiadczenie, jest to duÅ‚o wy- 8k66, takie wÅ‚aÅ›nie przyjÄ…Å‚em. Ma-
miarowych. MoÅ‚emy mianowicie godniejsze dla operatora przy szyb- my wiÍc teraz w przybliÅ‚eniu:
Elektronika Praktyczna 9/99
39
Obiektowa stacja systemu akwizycji danych
5=1*8,66*Kwop*0,25, czyli
WYKAZ ELEMENTÓW
Kwop=2,3.
Jednocześnie wiemy, łe dla
Półprzewodniki
wzmacniacza w układzie nieodwra-
U1: 80C552
cajÄ…cym jest: Kwop=1+R50/R47.
U2: 74HCT573
Znajdziemy stÄ…d R50/R47=1,3. To
U3: 27C64
jednak nie wszystko, bo wzmac-
U4: 24C04 lub 24C02
niacz musi oprÛcz wzmocnienia
U5: MAX232
zrealizowaĘ przesuniÍcie poziomu.
U6, U7: TLC27M4
Wykonujemy to zasilajÄ…c R47
ST1: TL431
odpowiednim napiÍciem odniesie-
nia. JuÅ‚ bez szczegÛÅ‚owych wypro- ST2: 78L05
wadzeÒ (wynikajÄ…cych z podstawo- ST3: 7805
wej analizy pracy wzmacniacza)
D1, D2, D3: 1N4148 lub
zapiszmy, łe mołna je w przybli-
podobne
łeniu wyraziĘ jako: Uref=(2,3*Uwe-
Kondensatory
Uwy)/1,3.
C1: 10F/16V
NapiÍcia wejÅ›ciowe to ok. 2,36V
C2, C3: 20pF
dla 0oC (0,2732mA*8k66) i 3,66V
C4, C13, C14, C15, C16:
dla 150oC, natomiast odpowiednie
22F/16V
wyjściowe to załołone przez nas
C5: 150F/16V
0,5V i 3,5V. Po obliczeniu otrzy-
C10: 2,2F/16V
mujemy ok. Uref=3,8V.
C19, C20, C21, C22, C24, C25,
Na koniec zauwałmy, łe na-
C26, C27: 4,7F/16V
piÍcie Uref rÛÅ‚ni siÍ niewiele od
Vref+. Nasuwa siÍ pytanie, czy C6, C7, C8, C9, C11, C12, C17,
C18, C23, C28, C29, C30, C31,
nie moÅ‚na uÅ‚yĘ jednego napiÍcia?
I rzeczywiście - po sprawdzają- C32: 100nF
cych wyliczeniach (ktÛrych juÅ‚ Rezystory
nie przytaczam) okazuje siÍ, Å‚e
(wszystkie 1/8W)
przy nieco skorygowanych:
R1, R3, R8, R9, R12, R17, R18, R21:
Kwop=2,2, Kconv=0,26,
2,2k
Uref=Vref+=3,91V dostajemy wy-
R2, R4, R7, R10, R13, R16, R19,
starczającą zgodnośĘ wynikowego
R22, R23, R20, R15, R14, R11, R6,
wzmocnienia (K=4,96bit/oC - od-
R5, R78:8,66k/1% metalizowane
chyłka <1%). Tak oczywiście nie
R34, R35, R31, R30, R28, R29, R48,
musi byĘ zawsze - przy innych
R47: 71,5k/1% metalizowane
zakresach i rozdzielczościach na
R33, R32, R25, R24, R27, R26, R49,
ogÛÅ‚ trzeba stosowaĘ rÛÅ‚ne Uref
R50: 95,4k/1% metalizowane
i Vref+.
R39, R40, R42, R41, R43, R44, R45,
Pozostaje jeszcze dobÛr rzeczy-
R46, R51, R52: 330
wistych elementÛw: podane na
R37: 5,7k/2% metalizowany
schemacie wartości zostały dopa-
R38: 3,1k/2% metalizowany
sowane z posiadanych zasobÛw.
Wysoka impedancja wejściowa
wzmacniacza pozwala na stosowa- piÍcia niezrÛwnowaÅ‚enia wzmac-
nie dułych rezystancji. Dzielnik niaczy powodują, łe dokładnośĘ
R37/R38 dla TL431 (ST1) został naszego toru analogowo - cyfrowe-
dobrany z uwzglÍdnieniem: go bÍdzie przewaÅ‚nie daleko od-
- wartoÅ›ci napiÍcia referencyjnego biegaĘ od wymogÛw pomiarowych.
= 2,5V (pin 1), Jak wspomniałem wcześniej - ko-
- minimalnego prądu stabilizacji = rekta tych odchyłek jest prowadzo-
1mA. na na drodze obliczeniowej.
Oczywiście zastosowane przy- Jerzy Szczesiul, AVT
bliÅ‚enia, tolerancje elementÛw, na- [e-mail]
Elektronika Praktyczna 9/99
40