Методы и средства обработки сигналов с индуктивных датчиков в микроконтроллерных системах тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.13.05, кандидат технических наук Брякин, Алексей Леонидович

• Брякин, Алексей Леонидович
• кандидат технических наук
• 2004

Оглавление диссертации кандидат технических наук Брякин, Алексей Леонидович

Введение.

1 Методы обработки информации с индуктивных датчиков.

1.1 Постановка задачи.

1.2 Общие сведения.

1.3 Области применения индуктивных датчиков.

1.4 Классификация методов обработки информации с первичного преобразователя.

1.5 Амплитудное считывание информации с первичного преобразователя.

1.5.1 Измерительные мосты и их использование в качестве преобразователей параметров.

1.5.2 Преобразователи параметров с импульсным питанием и области их применения.

1.6 Частотное считывание сигнала с первичного преобразователя.

1.6.1 Возможные схемные решения преобразователей параметров.

1.6.2 Измерение частоты и периода сигнала.

1.6.3 Уменьшение погрешности измерения весовым методом.

1.7 Проблема калибровки и линеаризации характеристики измерительной части системы.

Выводы по главе.

2 Анализ и проектирование измерительной части системы.

2.1 Постановка задачи.

2.2 Анализ возможностей использования периферии современных микроконтроллеров для обработки сигналов.'.'.Г.;.

2.3 Проблема выбора метода считывания информации с первичного преобразователя.

2.4 Анализ работы индуктивного первичного преобразователя при питании импульсным сигналом типа «меандр».

2.5 Сравнительные свойства преобразователей параметров при питании разными сигналами.

2.6. Масштабирование сигнала при питании импульсным сигналом.

2.7. Измерение периода сигнала.

2.8. Измерение частоты периодического сигнала.

2.9 Прямое измерение постоянной времени LR цепочки.

2.10 Проблема датирования результата.

2.11 Калибровка и линеаризация характеристики измерительной части системы

Выводы по главе.

3 Способы ввода сигнала с первичного преобразователя в микроконтроллер.

3.1 Постановка задачи.

3.2 Проблема выбора параметров усилителя при амплитудной модуляции и питании измерительной цепи импульсным сигналом.

3.3 Анализ работы схемы при питании измерительной цепи импульсным сигналом.

3.4 Измерение периода сигнала с использованием встроенного модуля захвата

3.5 Измерение периода с использованием программного опроса состояния входного сигнала.

3.6 Измерение частоты с использованием точной программной задержки.

3.7 Измерение частоты с использованием прерываний.

3.8 Линеаризация характеристики методом кусочно-линейной аппроксимации

Выводы по главе.

4 Практические результаты применения предложенных методов.

4.1 Универсальный модуль для макетирования.

4.2 Результаты проверки алгоритмов измерения частоты и периода.

4.2.1 Библиотека математических функций.

4.2.2 Цифровой частотомер на микроконтроллере PIC16F84A.

4.2.3 Измерение периода с помощью микроконтроллера PIC 16F84А .:.

4.3 Разработка угломерного устройства.

4.3.1 Описание принципиальной схемы.

4.3.2 Программное обеспечение микроконтроллера угломерного устройства.

4.3.3 Способ масштабирования.

4.4 Разработка профилометра.

4.4.1 Описание принципиальной схемы.

4.4.2 Программное обеспечение микроконтроллера профилометра 138 4.5. Разработка платы управления электродвигателем.

Основные результаты работы.

Список используемой литературы.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Методы и средства обработки сигналов с индуктивных датчиков в микроконтроллерных системах»

Задача построения различных систем, имеющих минимальную стоимость при одновременном наличии широких возможностей по обработке результата измерения, становится все более актуальной в связи с широким распространением всевозможных автоматических устройств не только в промышленности, но и в повседневной жизни любого человека. Поскольку низкая стоимость заставляет наилучшим образом использовать все имеющиеся элементы, возникает задача построения не столько собственно датчика, сколько всей системы в целом, реализующей, кроме самого измерения, и какие-либо другие действия, зависящие от его результатов.

Разработку системы, обладающей не только сложным алгоритмом поведения, но и гибкой в перенастройке, естественно производить на основе микроконтроллера. Применение микроконтроллера позволяет быстро изменять алгоритм функционирования, использовать энергонезависимую память для хранения настроек при отключении питания, реализовывать сложные математические функции.

Современные микроконтроллерные средства обработки сигналов имеют развитую периферию, в том числе и направленную конкретно на ввод информации с разного рода датчиков. Однако такие средства разрабатываются в основном для промышленного применения, поэтому их возможности и стоимость намного больше, чем у восьмиразрядных микроконтроллеров, чаще всего применяемых при построении простейших систем, используемых, например, в быту. Применение такого микроконтроллера с ограниченными периферийными возможностями накладывает ограничения на входной сигнал, получаемый с чувствительного элемента. Уменьшение стоимости всей системы возможно только при уменьшении количества передаточных звеньев между чувствительным элементом и микроконтроллером. То есть требуется переложить максимум функций внешних схем на периферию самого контроллера или на программные средства.

Предлагаемая работа посвящена системам на основе индуктивных преобразователей, которые отличаются простотой конструкции и широким распространением. Задача связи индуктивного датчика и микроконтроллера ставит ряд задач, требующих решения, одновременно позволяя расширить возможности и области применения индуктивных датчиков. Например, задача линеаризации характеристики датчика легко разрешима с использованием математической обработки, причём одновременно может быть решена задача калибровки датчика и преобразования входного изменения индуктивности в реальное значение входной величины. Результаты, полученные в процессе исследований, во многих случаях применимы и к другим датчикам и системам.

В настоящее время наблюдается широкое использование современных микроконтроллеров во всех областях человеческой деятельности: от простейших игрушек до сложных приборов, устройств, управляющих систем. Микроконтроллеры оказались приборами, прекрасно сочетающими возможности аппаратных средств измерения и преобразования аналоговых сигналов, средств управления исполнительными цепями с возможностями цифровой обработки информации. Большое значение в возможности использования микроконтроллеров сыграло появление на рынке дешёвых микроконтроллеров, цены на которые сопоставимы со стоимостью мелкой логики. В основном это восьмибитные микроконтроллеры.

Вместе с тем при конкретном использовании микроконтроллеров в аппаратуре появляются задачи иного плана, чем при создании чисто аппаратных средств решения проблем измерения и управления. Выделим некоторые из них.

Во-первых, архитектурные особенности микроконтроллеров накладывают определённые ограничения или заставляют учитывать эти особенности при решении конкретных задач.

Во-вторых, остаётся проблема оптимизации соотношения сложности дополнительных аппаратных средств и достигаемого эффекта, например, точности измерения.

В-третьих, применение микроконтроллеров позволяет по-новому ставить и решать проблемы масштабирования, линеаризации передаточных функций, начального смещения нуля.

В-четвёртых, аппаратные возможности в сочетании с программными позволяют по-новому решать конкретные проблемы или использовать методы, ранее считавшиеся неприемлемыми.

Результаты, полученные в процессе исследований, во многих случаях применимы и к другим видам датчиков и задачам.

Актуальность работы. Применение современных микроконтроллеров в системах обработки информации с индуктивных датчиков позволяет значительно упростить аппаратные средства с одновременным повышением надёжности системы, практически исключить необходимость применения для коррекции масштаба и балансировки нуля потенциометров, расширить функциональные возможности при одновременном уменьшении времени и стоимости разработки. Специализированные микроконтроллеры и другие аппаратные средства, имеющие в своем составе специализированные узлы для построения таких систем, значительно превышают по стоимости восьмибитные микроконтроллеры, так как предназначены в основном для применения в сложных производственных системах.

Поэтому проблему разработки программных и аппаратных средств обработки информации с индуктивных датчиков с использованием недорогих восьмибитных микроконтроллеров с ограниченной периферией следует считать актуальной.

Цель работы. Целью работы является разработка методов построения микроконтроллерных систем на основе восьмибитных микроконтроллеров с ограниченными периферийными возможностями, принимающих сигнал с индуктивных датчиков, уменьшение объема аппаратных средств таких систем.

Задачи исследования, решение которых необходимо для достижения этой цели:

• Произвести анализ существующих методов обработки сигналов с индуктивных датчиков с целью определения направлений исследования, дать рекомендации по выбору метода для конкретного применения.

• Пересмотреть и модернизировать методы измерения частоты и периода с учётом архитектурных особенностей микроконтроллеров, что позволяет исключить необходимость применения дополнительных аппаратных средств.

• Проанализировать возможности уменьшения аппаратных средств при построении систем, использующих амплитудную модуляцию сигнала с датчика.

• Предложить методы масштабирования и линеаризации характеристик: в микроконтроллерных системах.

Предметом исследования в данной работе являются вопросы максимального использования аппаратных и программных возможностей современных восьмибитных микроконтроллеров при обработке сигналов с индуктивных датчиков с целью упрощения аппаратной части системы, расширения функциональных возможностей и повышения надежности.

Методы исследования. В работе используется комплексный подход, совмещающий математические методы анализа электронных схем, численные методы и моделирование предлагаемых схем.

Достоверность научных положений и результатов диссертационной работы подтверждается:

1. Совпадением полученных теоретических результатов с экспериментально полученными данными.

2. Апробацией основных результатов.

3. Практическим внедрением разработанных методов обработки сигналов с индуктивных датчиков и методов измерения частоты и периода сигнала.

4. Участием в пяти научных конференциях разного уровня.

Научная новизна работы состоит в следующем: Доказана целесообразность использования в микроконтроллерных системах для питания преобразователей параметров импульсного сигнала типа «меандр», получаемого с помощью самого микроконтроллера, вместо традиционного синусоидального сигнала. Это существенно упрощает аппаратные средства, повышает амплитуду выходного сигнала. Разработан метод масштабирования изменением частоты опорного сигнала, что при питании импульсным сигналом реализуется без применения дополнительных аппаратных средств и позволяет существенно упростить аппаратные средства, отказавшись от органов подстройки. Разработаны методы программного масштабирования микроконтроллерных систем с предварительным расчетом таблиц. Это позволяет свести к минимуму необходимость применения потенциометров, повысить надёжность системы в целом и упростить процедуру коррекции масштаба при минимальной математической обработке в микроконтроллере. Уточнены области применения амплитудной и частотной модуляции в системах с индуктивными датчиками. Это позволяет облегчить задачу выбора аппаратных средств считывания информации, уменьшает время разработки систем.

Модернизированы методы измерения частоты с учётом архитектурных особенностей микроконтроллеров. Это позволяет упростить аппаратные средства при использовании микроконтроллеров.

Предложены инженерные методы расчёта аппаратных средств обработки информации с индуктивных датчиков.

Практическая ценность работы

Предложенные модифицированные методы измерения частот позволяют эффективно использовать микроконтроллеры при обработке информации с индуктивных датчиков.

В результате разработки аппаратных средств с учетом особенностей использования микроконтроллера значительно уменьшен их объем.

Применение программной калибровки и программного масштабирования позволило полностью отказаться от применения потенциометров или каких-либо других аппаратных регулировочных элементов, что значительно упростило процесс калибровки.

Предварительный расчет таблиц на компьютере позволил упростить процедуру калибровки и уменьшить требования к микроконтроллеру.

Основные положения, выносимые на защиту

• Метод выбора способа модуляции сигнала с индуктивного датчика.

• Методы измерения частоты и периода сигнала с учётом возможностей микроконтроллеров при частотной модуляции сигнала с индуктивного датчика в предположении минимума дополнительных аппаратных средств.

• Метод расчета аппаратных средств при аналоговой модуляции сигнала с индуктивного датчика при его питании прямоугольными импульсами.

• Метод масштабирования измерительной части системы путем изменения частоты питающего измерительный мост опорного сигнала.

• Метод калибровки и масштабирования измерительной части системы, использующий линейную аппроксимацию, на основе предварительного расчёта характеристики прибора, алгоритмы реализации линейной аппроксимации с учетом специфики микроконтроллеров и существующих типов энергонезависимой памяти данных. и

Апробация работы

Основные результаты диссертационной работы докладывались на следующих конференциях: «Вычислительные системы и технологии обработки информации», Пенза, 2002г; VI Всероссийская научная конференция студентов и аспирантов «Техническая кибернетика, радиоэлектроника и системы управления». г.Таганрог, 10-11 октября, 2002 г., V Международная научно-техническая конференция «Новые информационные технологии и системы». г.Пенза, 2002., конференция молодых учёных и студентов «Актуальные проблемы современной науки». г.Самара, сентябрь, 2000г.

Результаты работы отражены в 10 научных публикациях.

С целью подтверждения результатов был проведен ряд исследований, как с помощью теории электрических цепей, с использованием электронного моделирования, так и с помощью создания работоспособных макетов.

Разработанные алгоритмы и методы были использованы при проектировании нескольких устройств, часть из которых выпускается и в настоящий момент. Наиболее полно исследуемые методы применялись при построении угломерного устройства и профилометра.

Угломерное устройство построено с использованием частотного метода считывания информации с индуктивного датчика и программного метода линеаризации с использованием персонального компьютера. Это позволило увеличить рабочий диапазон датчика почти в два раза и ускорить калибровку прибора.

Профилометр построен с использованием аналогового метода считывания информации с питанием измерительной цепи импульсным сигналом, формируемым ШИМ. Для калибровки использован метод хранения коэффициентов в энергонезависимой памяти, что позволяет калибровать прибор с помощью только его же рабочей клавиатуры.

Кроме того, различные элементы алгоритмов и узлов использовались при проектировании различных устройств, таких, как частотомер, плата управления электродвигателем, устройство измерения вязкости масла и т.д.

Заключение диссертации по теме «Элементы и устройства вычислительной техники и систем управления», Брякин, Алексей Леонидович

Результаты работы представлены в десяти публикациях и были заслушаны на пяти конференциях разного уровня.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Брякин, Алексей Леонидович, 2004 год

1. Брякин АЛ. Отладка устройств на основе микроконтроллера PIC12C508 с помощью PIC16F84A. Журнал «Схемотехника», №3, март, 2003г., 35-37с.

2. Брякин A.JI. Часы с говорящим будильником. «Схемотехника», №6, июнь, 2003г., 29-32с.

3. Брякин АЛ. Универсальное устройство управления на ИК-лучах. «Схемотехника», №10, октябрь, 2003г., 37-40с.

4. Брякин A.JI. Применение микроконтроллеров для линеаризации передаточных характеристик датчиков. Межвузовский сборник научных статей. Выпуск 1(27) «Вычислительные системы и технологии обработки информации», Пенза, 2002г.

5. Брякин A.JI. «Масштабирование в микроконтроллерных измерительных системах» Межвузовский сборник научных статей. Выпуск 2(28) «Вычислительные системы и технологии обработки информации», Пенза, 2002г., с.118-119.

6. Брякин A.JI. Алгоритм точного измерения частоты. Материалы VI Всероссийской научной конференции студентов и аспирантов «Техническая кибернетика, радиоэлектроника и системы управления». г.Таганрог, 10-11 октября, 2002 г.

7. Брякин A.JI. Автомобильный ИК локатор заднего хода. Материалы VI Всероссийской научной конференции студентов и аспирантов «Техническая кибернетика, радиоэлектроника и системы управления». г.Таганрог, 10-11 октября, 2002 г.

8. Брякин A.JI. Проблема масштабирования в микроконтроллерных устройствах. Материалы V Международной научно-технической конференции «Новые информационные технологии и системы». г.Пенза, 2002.

9. Брякин А.Л., Брякин Л.А. Индуктивные датчики в микроконтроллерных устройствах. Материалы V Международной научно-технической конференции «Новые информационные технологии и системы». г.Пенза, 2002.

10. Брякин А.Л. Прибор для измерения шероховатости поверхности. Материалы конференции молодых учёных и студентов «Актуальные проблемы современной науки». г.Самара, сентябрь, 2000г.

11. Брякин А.Л., Брякин Л.А. Восьмиразрядные RISC-микроконтроллеры. Методические указания и практическое руководство по применению в курсовом и дипломном проектировании. г.Пенза, ПТУ, 2001г.

12. Груздев С.В., Прошин Е.М. Импульсная .тензометрия. М.: Энергия,1976.

13. Гриневич Ф.Б. Автоматические мосты переменного тока. Новосибирск: Изд-во СО АН СССР, 1964. 214с.

14. Гутников B.C. Методы реализации специальных весовых функций. Измерение, контроль, автоматизация. -1983, №2, с.З 15.

15. Захаров Г.М. Импульсный метод измерения больших сопротивлений. Приборы и техника эксперимента. 1960. №4. с.82 84.

16. Карандеев К.Б. Специальные методы электрических измерений. М.: Госэнергоиздат, 1963. 344с.

17. Карандеев К.Б. Мостовые методы измерений. — Киев: Гостехиздат,1953.

18. Карандеев К.Б., Штамбергер Г.А. Обобщённая теория мостовых цепей переменного тока. Новосибирск: Изд-во СО АН СССР, 1961.

19. Карандеев К.Б. , Штамбергер Г.А. Обобщённая теория мостовых цепей переменного тока. Новосибирск: Издательство Сибирского отделения АН СССР, 1961.

20. Кнеллер В.Ю., Боровских Л.П. Определение параметров многоэлементных двухполюсников. М.: Энергоатомиздат, 1986.

21. Кукуш В.Д. Электрорадиоизмерения. М.: Радио и связь, 1985.

22. Л.В.Березин, В.А.Вейцель. Теория и проектирование радиосистем.М.: Сов. Радио, 1977,448с. с ил.

23. Мартяшин А.И., Шахов Э.К., Шляндин В.М. Преобразователи электрических параметров для систем контроля и измерения. М.: Энергия, 1976. 392с. с ил.

24. Маркин Н.С. Основы теории обработки результатов измерений. — М.: Издательство стандартов, 1991, 176с. с ил.

25. Мирский Г.Я. Измерение временных интервалов. М. — Л.: Энергия, 1964.72с

26. Мирский Г.Я. Электронные измерения. М.: Радио и связь, 1986.440с.

27. Патюков В.Г., Чмых М.К. Оптимальный алгоритм цифрового измерения частоты. Известия вузов. Приборостроение. 1976, №3, с.21 - 24.

28. П.В.Новицкий, В.Г.Кнорринг, В.С.Гутников. Цифровые приборы с частотными датчиками. Л. «Энергия», 1970.424с, с рис.

29. Передельский Г.И. Мостовые цепи с импульсным питанием. М.: Энергоатомиздат, 1988. 192.:ил.

30. Передельский Г.И. Сопряжение мостовых схем с импульсным питанием с электронными блоками. Измерительная техника, май, №5, 2002.

31. Попов B.C. Измерительные преобразователи параметров электрических цепей в частоту. М.: Энергия, 1977. 192с. с ил.

32. Прокофьев О.В. Цифровые устройства измерения частоты с весовым усреднением. Диссертация на соискание учёной степени кандидата наук. Пенза, 1992.

33. Спектор С.А. Электрические измерения физических величин: Методы измерений: Учебное пособие для вузов. Л.: Энергоатомиздат. Ленинградское отделение, 1987. 320 е.: ил.

34. Туричин A.M. Электрические измерения неэлектрических величин. — М.-Л.: Энергия, 1966.

35. Швецкий Б.И. Методы и средства для частотно-временных измерений. Измерение, контроль, автоматизация. 1990, №2, с. 13 - 22.

36. Эйтц Дж. Г., Лукас Д.Х., Джонстон Д.Д. Метод многоканального измерения физических величин при помощи импульсных методов применительно к исследованию напряжений. Прикладная механика и машиностроение. М.: Иностранная литература. 1952. №4. с.З 25.

37. Электрические измерения: Учебник для вузов / Байда Л.И., Добро-творский Н.С., Душин Е.М. и др.; Под редакцией А.В. Фремке и Е.М.Душина. -5-е изд., перераб. и доп.-Л.: Энергия. Ленинградское отделение, 1980.-392с., ил.