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
Ŝ
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
Ŝ
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
Ŝ
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
ęŜ
enia gazu (I)
026
PRZYKŁAD: blok detekcyjny do pomiaru st
ęŜ
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
Ŝ
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
Ŝ
niejsza zaleta: presti
Ŝ
- wady: drogi i skomplikowany kabel (24 p), specjalna karta do komputera
044
UNIWERSALNE KARTY DAC (Digital Acquisition Cards)
karty specjalne:
- o du
Ŝ
ej szybko
ś
ci działania (1MS/12bit)
- o du
Ŝ
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