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ENZYKLOPÄDIE DER FUNKELEKTRONIK UND ELEKTROTECHNIK Zweikanaliges PC-basiertes Datenerfassungs- und -verarbeitungssystem. Enzyklopädie der Funkelektronik und Elektrotechnik
Lexikon der Funkelektronik und Elektrotechnik / Computer Eines Tages musste der Autor des Artikels die Verbrennungseigenschaften einer Flamme messen (die Intensität der Strahlung in zwei schmalen Bändern des Spektrums, die Beziehung zwischen den Intensitäten und ihre zeitliche Änderung in Abhängigkeit von der Geschwindigkeit der Luftbewegung, das Volumen). brennbarer Stoffe usw.). Ein digitales Oszilloskop hätte die Aufgabe erledigen können, aber ich hatte keins zur Verfügung. Es war dringend erforderlich, ein Datenerfassungs- und -verarbeitungssystem zu entwickeln, das in jedem Kanal mindestens 100 Messungen pro Sekunde mit einer Zeitverzögerung zwischen gleichnamigen Abtastungen von nicht mehr als 0,5 ms durchführen kann. Die Ausgangsinformationen sind die Signalspannung in jedem Kanal, das Verhältnis ihrer Pegel und die Differenz zwischen den vorherigen und nachfolgenden Signalabtastwerten in jedem Kanal. Natürlich ist es unwahrscheinlich, dass viele Leser das gleiche Problem lösen müssen, aber der vorgeschlagene Hardware- und Softwarekomplex kann als Beispiel für den Aufbau eines funktionierenden Datenerfassungssystems betrachtet werden und als erster Anstoß für die Entwicklung eines eigenen Systems dienen . Das beschriebene System besteht aus einem Datenerfassungs- und -übertragungsgerät (nennen wir es DSD) und Software für einen PC. Das schematische Diagramm des DSD ist in Abb. dargestellt. 1 (der Fotokonverter ist darauf nicht abgebildet). Seine Basis ist der Flash-Mikrocontroller AT90S4433-8PI (DDI) von ATMEL, der einen 10-Bit-ADC mit analogem Multiplexer enthält. In diesem Fall kommt jedoch eine externe Kanalumschaltung mittels integrierter DA1-Tasten zum Einsatz. Dies schien praktischer zu sein, da es die Verwendung eines Pufferverstärkers auf Basis des DA3-Operationsverstärkers mit variabler Verstärkung Kó ermöglichte. Letzteres hängt vom Zustand des DA4.1-Schlüssels ab: Wenn er geöffnet ist, ist Ku = (R8/R6)+1, und wenn er geschlossen ist, ist Ku = [R8/(R6||R7)]+1 (hier R6|). |R7 ist der Widerstandswert der parallel geschalteten Widerstände R6 und R7).
Die Eingangsstufe des Operationsverstärkers DA3 ist auf MOS-Transistoren aufgebaut. Dies ermöglichte den Einsatz von Schutzwiderständen (R1 und R2) am Eingang jedes Kanals, ohne dass die Messgenauigkeit durch den Eingangsstrom beeinträchtigt wurde (der Leckstrom der DA1-Chipschlüssel ist ebenfalls vernachlässigbar). Widerstände sind erforderlich, um sicherzustellen, dass die im DA1-Chip integrierten Eingangsschutzdioden nicht ausfallen, wenn das gemessene Signal die DA1-Versorgungsspannung überschreitet (der maximal zulässige Strom durch diese Dioden beträgt 10 mA). Ein weiteres wichtiges Merkmal des verwendeten Operationsverstärkers besteht darin, dass seine Eingangs- und Ausgangsspannungen die Werte der Versorgungsspannung erreichen können (der sogenannte Rail-to-Rail-Operationsverstärker). Dadurch können Sie eine Stromversorgung für den Operationsverstärker und den Mikrocontroller verwenden, ohne den Dynamikbereich des gemessenen Signals einzuschränken. Der DA2-Chip enthält einen Spannungsstabilisator für die Geräteversorgung und der DA5 enthält eine Referenzspannungsquelle für den ADC des Mikrocontrollers. Der DA6-Chip dient zur Kommunikation des UART-Mikrocontrollers (Universal Asynchronous Serial Transceiver) mit einem PC über die serielle RS232-Schnittstelle. Die LEDs HL1 und HL2 zeigen die Betriebsarten des SD an. Der Stecker XP1 wird für die serielle Programmierung des Mikrocontrollers im Gerät benötigt, beispielsweise mit dem In-Circuit-Programmer AS1. Der Anschluss XS1 verbindet die SD mit der seriellen Schnittstelle des PCs.
Das Programm für den Mikrocontroller ist im AVR-Assembler in der AVR-Studio-Umgebung geschrieben, die von ATMEL kostenlos vertrieben wird. Die Windows-Anwendung, die für die Kommunikation mit dem SD und die Verarbeitung der empfangenen Informationen verantwortlich ist, wurde in der Delphi 5-Umgebung erstellt. Beim Schreiben des Programms hat mir R. Kusyapkulovs Artikel „Arbeiten mit seriellen Schnittstellen in Windows 95“ („Radio“, 2000, Nr. 1, S. 23). Im Delphi-Umgebungsfenster sieht die Anwendung wie in Abb. 2. Betrachten wir den Betrieb der Software und Hardware des Datencontrollers als Ganzes. Sobald das gesamte System zusammengebaut ist und alle notwendigen Verbindungen hergestellt wurden, können Sie die Anwendung starten. Sein Fenster erscheint auf dem Computermonitor. Zu diesem Zeitpunkt befindet sich der SD-Mikrocontroller im ständigen Abfragemodus des UART-Empfängers. Die HL1-Anzeige (Empfangsbereitschaft) leuchtet auf. Das Mikrocontroller-Programm überprüft ständig den Zustand des RXC-Bits im UCSRA-Register und wartet darauf, dass es in den Eins-Zustand wechselt. Das System befindet sich im Wartemodus auf Benutzeraktionen. Sie können entweder die Verstärkung des Messpfads des SD ändern oder einen Messzyklus starten. Im ersten Fall sollten Sie auf die Schaltfläche „Ky=0,5“ oder „Ky=1“ „klicken“. Die Komponenten RadioButton 1 und Radiobutton 2 sind für die Umschaltung der Verstärkung im Anwendungsprogramm verantwortlich. Wenn Sie beispielsweise auf die Schaltfläche „Ku=0,5“ „klicken“, wird der RadioButton2Click-Ereignishandler gestartet und die Kamp-Variable nimmt den Wert 110 an Dieser Code entspricht einer reduzierten Verstärkung (bedingt Ku=0,5). Jetzt können Sie den „Start“-Button drücken (er ist in Abb. 2 nicht sichtbar, da sich darüber ein „Fertig stellen“-Button befindet) und so den Messzyklus starten. Hier empfiehlt es sich, die allgemeine Ideologie des Datenaustauschs zwischen USD und PC zu berücksichtigen. Einmal gestartet, muss der Messzyklus irgendwann gestoppt werden. Das beschriebene System wendet die folgenden Taktiken an. Die Messung erfolgt nicht kontinuierlich, sondern in Abständen von etwas mehr als 2 s (eingestellt durch die Interval-Eigenschaft der Timerl-Komponente im Anwendungsprogramm). Dreihundert Messungen pro Kanal dauern knapp 2 s. Wenn also das Timer1Timer-Ereignis einen Messzyklus startet (300 Messungen in jedem Kanal), bleibt am Ende, bevor das nächste Timer1Timer-Ereignis auftritt, eine kurze Zeit übrig, die ausreicht, damit die Anwendung auf das bbCompleteKeyPress-Ereignis reagieren kann (wenn die Schaltfläche „Fertig stellen“ gedrückt wurde). Beachten Sie, dass der USD in einem Messzyklus 1200 Bytes an Informationen an den PC sendet, da das Ergebnis jeder Messung aus zwei Bytes besteht. Nach Betätigung des „Start“-Buttons wird also ein Timer mit einer Periode von 110 ms gestartet (siehe Anwendungsprogramm, Prozedur TForml bbStartClick). Nach Ablauf dieser Zeit geht die Steuerung an den Ereignishandler Timer1Timer über. Über die serielle Schnittstelle wird der Code 110 bzw. 130 (reduzierte bzw. normale Verstärkung) an den USD übertragen – die Kamp-Variable. Der Mikrocontroller empfängt diese Daten, stellt durch Schließen oder Öffnen des DA4.1-Schalters die erforderliche Verstärkung ein und wartet auf den Empfang neuer Informationen. Zu diesem Zeitpunkt überträgt der PC den Code 100 an den USD (ActionKey-Variable im Anwendungsprogramm). Nachdem der Mikrocontroller diese Informationen erhalten hat, schaltet er die HL1-Anzeige aus, schaltet die HL2-Anzeige ein („Übertragung läuft“) und beginnt einen Messzyklus (Aktionsetikett im Mikrocontroller-Programm). Nachdem in jedem Kanal eine Messung durchgeführt wurde, wird die Der Mikrocontroller überträgt die Daten an den PC und macht eine kurze Pause, um die erforderliche Signalabtastfrequenz sicherzustellen. Anschließend werden die Messungen, die Datenübertragung und die Pause weitere 299 Mal wiederholt. Danach wechselt der Mikrocontroller in den Standby-Modus für Informationen vom PC (die HL2-Anzeige erlischt und die HL1 leuchtet). Wenn während des Zyklus (≈2,1 s) die Schaltfläche „Abschließen“ gedrückt wurde, wird die Steuerung unmittelbar nach dem Empfang des letzten von 1200 Bytes an den bbCompleteKeyPress-Handler übergeben. Der Computer übermittelt den Code 120 an den USD, der vom Mikrocontroller nicht als bekannt erkannt wird, wodurch der USD im Wartemodus auf einen Befehl vom PC bleibt. Wenn die Schaltfläche „Fertig stellen“ nicht gedrückt wurde, wird beim Eintreten des Ereignisses Timer1Timer ein neuer Messzyklus gestartet. Und so weiter, bis die Schaltfläche „Fertig“ gedrückt wird. Der bbCompleteKeyPress-Handler verarbeitet außerdem die empfangenen Informationen und generiert eine Textdatei, in der die Messergebnisse in praktischer Form dargestellt werden. Jeder Messzyklus wird hier als Block mit einer entsprechenden Nummer benannt. Ein Fragment der Textdatei data_temp.txt ist in Abb. dargestellt. 3. Der Text enthält eine Art „Kopfzeile“ der Tabelle, wobei „Anzahl der Messungen“ die Messnummer ist (von 1 bis 300 im ersten Block); IR – Signalspannung Kanal 1; Diff IR – Differenz zwischen vorherigen und nachfolgenden Messungen von Kanal 1; kr - Signalspannung von Kanal 2; diff кр – Differenz zwischen den vorherigen und nachfolgenden Messungen von Kanal 2; diff - das Verhältnis des Signalpegels des ersten Kanals zum Pegel des zweiten.
Beim Einrichten des DSD kommt es darauf an, die Spannung durch Auswahl des Widerstands R5 auf +5 V einzustellen (diese sollte nicht niedriger sein als die beispielhafte Spannung am AREF DD1-Eingang, jedoch nicht mehr als 6 V). Der Mikroschaltkreis KR1157EN1 (DA2) kann durch einen importierten analogen LM317L sowie jeden einstellbaren Spannungsstabilisator mit positiver Polarität und einem Ausgangsstrom von mindestens 30 mA ersetzt werden. Anstelle des Operationsverstärkers KR1446UD1A (DA3) können Sie auch KR1446UD4A verwenden; Die Verwendung von Modifikationen mit anderen Buchstabenindizes ist aufgrund der höheren Nullpunktspannung unerwünscht. Widerstände - Metalldielektrikum C2-23, C2-33; Kondensatoren C1-C3 - Oxidhalbleiter Tantal K53-1, K53-4; der Rest sind Keramik KM, K10-17. Drossel L1 – einheitliches DM, DPM. Anschlüsse XP1 – PLD10, XS1 – DRB-9FB. Quarzresonator ZQ1-RK169MA-6AP-6000K. Programme für Mikrocontroller (Programm 1) und PC (Programm 2) Autor: M.Bogdanov, Sarow, Gebiet Nischni Nowgorod.
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