APARATE DE MASURA CU MICROPROCESOR

APARATE DE MaSURa CU MICROPROCESOR

1 Logica cablata, logica programata.

Un algoritm de masurare presupune executarea unei secvente de operatii: comutari, comparari, atenuari, conversii, etc. Dispozitivele de comanda ale aparatelor, care controleaza aceasta succesiune, au preluat, urmare cresterii capacitatii lor de prelucrare, tot mai multe astfel de operatii, usurand sarcina operatorului.

    Pe de alta parte, dispozitivele de comanda care realizeaza secventele prin stabilirea unor conexiuni galvanice intre diferitele componente electrice si electronice - logica cablata - nu mai pot fi modificate in vederea obtinerii altor functiuni, decat prin reproiectare integrala. Structura este rigida, aparatul fiind specializat strict pentru un tip de algoritm de masurare. Cresterea performantelor s-a facut ulterior prin cresterea preciziilor etajelor electronice componente.

    Aparitia microprocesoarelor a facut posibila inlocuirea acestui tip de logica fixa, data de conexiunile prin trasee conductoare intre componentele schemei, cu logica programata, realizata prin instructiuni de program. In acest fel devine posibila modificarea comoda si rapida a secventei de lucru a unei structuri de circuite prin modificarea programului care comanda secventa respectiva, program rezident in memoria sistemului microprocesor. Un astfel de dispozitiv de comanda de aparat isi poate modifica deci simplu functia, folosind acelasi set de circuite, structura devenind astfel flexibila.

    Aparatura de masura constituie unul din cele mai importante domenii de aplicatie a microprocesoarelor. Din consecintele favorabile ale introducerii m P in aparatura de masurat amintim:

cresterea fiabilitatii, simultan cu reducerea pretului de cost, prin reducerea numarului de circuite utilizate;

marirea preciziei de masurare prin :

o        autoetalonare;

o        eliminarea erorilor sistematice;

o        corectia derivei nulului;

o        eliminarea erorilor aleatoare si a zgomotului, prin mediere;

simplificarea muncii de proiectare si de elaborare a documentatiei;

reducerea substantiala a consumurilor de energie electrica.

Unele functii pot fi virtuale (implementate soft), dar pot fi eventual achizitionate si ca module reale, completand posibilitatile aparatului de baza. Alte functii pot fi sintetizate prin program de catre utilizator. Evolutia acestei categorii de aparate se face in special pe directia softului, crescand importanta si costul acestuia.

2. STRUCTURA GENERALA A APARATELOR DE MASURAT CU m P

In comparatie cu aparatele al caror dispozitiv de comanda este realizat in logica cablata, aparatele de masurat cu m P au specifica prezenta unui nod de comunicatie a datelor numerice, reprezentat de m P.

Se exemplifica cu o schema de multimetru -fig.1. Se observa ca dispozitivul de comanda comunica pe de o parte cu elementele de pe panoul frontal, memorand comenzile primite de aici si comunicand operatorului rezultatele si semnalizarile necesare. Pe de alta parte el comunica cu celelalte blocuri componente ale aparatului (CAN, bloc de conditionare a semnalelor, filtru si multiplexor analogic, convertoare de marimi), direct sau prin intermediul unor amplificatoare de izolare.

    Exista structuri de comanda uni- sau multiprocesor, in functie de sarcinile care trebuie indeplinite.

2.1. STRUCTURA UNIPROCESOR

Aceasta prezinta avantajul unui pret de cost mai redus, in schimb timpul de raspuns va fi mai lung, intrucat singurul procesor din schema trebuie sa preia gestiunea tuturor operatiilor si semnalelor vehiculate. Rezulta si o frecventa de repetare a masurarilor mai mica. Reluand schema bloc a multimetrului in fig. 2, se pun in evidenta si alte aspecte.

    In chenarul cu linie intrerupta s-au reprezentat circuitele analogice. Acestea au masa izolata fata de masa generala aparatului si sunt ecranate. Legatura cu celelalte etaje ale aparatului se face prin intermediul unui modul izolator. MA₁ este o magistrala analogica unidirectionala si leaga intrarea de modulele analogice; legatura bidirectionala intre acestea este realizata prin magistralele Ma₂, MA₃.

    Magistrala numerica MN serveste la vehicularea comenzilor de la dispozitivul de comanda cu m P spre circuitele analogice, cat si la transmiterea in sens invers a informatiilor privind aceste circuite. Magistrala numerica MN₂ este bidirectionala si asigura legatura dintre dispozitivul de comanda si panoul frontal, respectiv memoria de calibrare si interfata pentru telecomenzi.

2.2 STRUCTURA MULTIPROCESOR

Se exemplifica cu o structura biprocesor a unui voltmetru numeric. Din cele doua procesoare:

unul are rol de dispozitiv de comanda principal, aflat in afara incintei ecranate si stabileste pe baza informatiei primite de la tastatura sarcinile ce trebuie indeplinite;

al doilea, aflat in incinta ecranata, primeste informatiile de comanda necesare de la m P principal; el stabileste starea blocului de conditionare a semnalului si declanseaza ciclul de conversie analog-numerica.

3 FUNCTII ALE m P IN APARATURA DE MASURARE

3.1 Comanda blocurilor de conditionare si de comutare a semnalelor analogice

    Din cele mai des intalnite blocuri de conditionare a semnalelor sunt atenuatoarele si amplificatoarele. Modificarea factorilor de atenuare sau de amplificare se comanda numeric prin intermediul unor comutatoare electronice, secventa numerica pentru fiecare din acestea fiind furnizata de m P.

    O solutie moderna o constituie folosirea de CAN cu multiplicare. Sunt de fapt retele R-2R inversate, cu comutarea tensiunii. Plasand o astfel de retea in bucla de  reactie a unui amplificator operational se obtine un amplificator cu castig programabil, ca in fig. 4. Castigul schemei este intre  si .

Tensiunea de iesire este:     (1)

unde N este numarul de celule R-2R, deci si lungimea cuvantului de comanda a comutatoarelor C₀.C_n-1. Intrucat intotdeauna , rezulta ca:

(2)

    Ca elemente de comutare se folosesc in mod curent circuite multiplexoare-demultiplexoare analogice. Comanda lor se face simplu prin aplicarea unui cod de comanda de catre m P (cuvantul de c-da N).

3.2 COMANDA CAN

    Deoarece convertoarele analog - numerice integrate contin o sectiune de conducere a secventei de conversie, rolul m P revine numai la a da comanda de incepere a operatiei si de a dirija rezultatul in locatiile prestabilite, atunci cand conversia este incheiata. Terminarea conversiei este semnalizata de circuitul convertor catre m P.

3.3 COMANDA COMUNICATIEI DINTRE BLOCURILE COMPONENTE ALE UNUI APARAT

        m P supervizeaza comunicatia intre blocurile componente ale aparatului, atat analogice cat si numerice, prin alocarea resurselor de comunicatie sau prin participare directa, primind si predand date (numerice).

Din punct de vedere al realizarii, legaturile intre blocuri se pot realiza:

fiecare cu fiecare

prin magistrale.

a.       Comunicatia analogica se poate realiza prin magistrale analogice. O astfel de magistrala se poate obtine, pentru semnalele unipolare, prin folosirea a doua fire, unul din ele fiind folosit in partaj de catre sursele de semnal interesate pentru transmiterea semnalul util, iar celalalt fiind masa. Pentru semnalele diferentiale se folosesc doua fire care sa preia semnalele utile provenind de la iesirile amplificatorului diferential, ca in fig. 4.

Accesul pe magistrala, cat si iesirea de pe ea, se pot efectua cu comutatoare electronice integrate (multiplexoare-demultiplexoare analogice), ca in fig. 4. Secventa de trimitere a unui semnal de la o intrare (A_i, ) diferentiala la o iesire (B_k, ) se face in urma selectarii cailor respective prin semnalele de comanda ale multiplexoarelor de catre m P.

b.      Comunicatia numerica se realizeaza mai ales intre blocurile cu iesire sau intrare numerica si m P si mai rar direct intre blocuri. Ea se poate face prin urmatoarele tehnici:

tehnica asteptarii in bucla: se initiaza o operatie -de ex. o conversie analog-numerica- si se testeaza periodic un bit de stare al blocului executant. Cand acesta indica sfarsitul operatiei, m P comanda preluarea datelor si transferul lor in locatiile de memorie stabilite prin program.

tehnica intreruperilor: blocul care trebuie sa realizeze o comunicare, prezinta o cerere de intrerupere, preluata de un controler al prioritatii intreruperilor, acesta rezolva concursul de prioritati dintre blocuri si apoi dintre blocul cel mai prioritar si programul principal derulat de m P. Daca intreruperea este posibila, m P raspunde si rezolva comunicarea, daca nu, intreruperea este mascata si este rezolvata ulterior, cand va fi posibil.

accesul direct la memorie (Direct Memory Access - DMA), utilizat in cazul unor comunicari rapide, cu o cadenta superioara celei permise de m P (de ex. memorarea sau livrarea unor esantioane dintr-un semnal). In acest procedeu m P este ocolit si se executa DMA. Controlerul DMA poate deservi mai multe unitati periferice (de ex. 8). La solicitarea DMA, el rezolva un eventual concurs de prioritati dintre perifericele respective si trece unitatea centrala in stare de asteptare, m P elibereaza controlul magistralelor, care este preluat de controlerul DMA, si se efectueaza transferul informatiei. La terminare, m P este scos din HOLD, reia controlul magistralelor si continua programul de acolo de unde a fost intrerupt.

3.4. COMANDA COMUNICATIEI CU PANOUL DE COMANDA SI SISTEMUL DE AFISAJ

    Panoul de comanda este necesar pentru transmiterea de catre operator a comenzilor in vederea realizarii ciclului de masurare. El este o claviatura specializata sau de uz general alfanumerica, care inlocuiesc comutatoarele si potentiometrele de reglaj.

    Claviaturile specializate sunt destinate alegerii domeniilor si functiilor specifice aparatului, iar claviatura alfanumerica serveste in special introducerii unor programe de utilizator si a datelor numerice. O astfel de tastatura, organizata sub forma unei matrici de 64 de puncte, se da in fig. 5.

Apasand una din cele 64 de taste se interconecteaza o linie de scrutare x_i cu o linie de iesire y_j. In functie de perechea (i,j) codificatorul furnizeaza codul corespunzator tastei respective, prin extragerea lui dintr-o memorie ROM care contine tabelul cu codurile tastelor. Tot codificatorul furnizeaza un semnal DAV de validare a datelor, testat periodic de m P. Cand DAV = 1, codul prezent la iesire este transferat microsistemului. Semnalul DAC confirma acceptarea datelor.

    O alta modalitate de conectare a tastaturii este cea direct la sistem, in acest caz identificarea tastei se face prin program.

   Tot la panoul de comanda mai sunt prezente indicatoare numerice si luminoase pentru afisare de date si semnalizarea unor mesaje.

    Pentru afisarea informatiei se folosesc dispozitive cu led-uri sau cristale lichide, sau cand se afiseaza simultan un numar mare de caractere alfanumerice, tuburi catodice.
    S-au realizat, de asemenea, dispozitive care combina functiile de afisare si comanda, tuburi catodice cu taste senzoriale pe ecran, sensibile la atingerea cu degetul.

3.5 COMANDA COMUNICATIEI CU EXTERIORUL PRIN INTERMEDIUL MAGISTRALELOR STANDARD

    Necesitatea interconectarii aparatelor de masurare a impus standardizarea comunicatiei intre ele, prin utilizarea unor interfete unanim acceptate.

    De ex., o interfata produsa de firma Hewlett-Packard in 1975, HP-IB (Hewlett-Packard Interface Bus) a devenit standardul IEEE-488. Ea mai este cunoscuta si sub denumirea de GPIB (General Purpose Interface Bus). Standardul GPIB defineste mediul fizic in care sunt interconectate aparatele.

Aceasta interfata permite interconectarea a cel mult 15 aparate de uz general la o magistrala de lungime maxima de 20 m si care asigura o capacitate de transfer de cel mult 1 Mbyte/s.

    In functie de gradul lor de inteligenta si de functiunile lor, aparatele pot indeplini una din functiile: controler, controler si emitator, receptor, controler si receptor, emitator - receptor, emitator sau receptor. Pentru emitator se mai utilizeaza si termenul de vorbitor, iar pentru receptor cel de ascultator.
    Magistrala este alcatuita din 16 cai:

8 linii bidirectionale de date Df 1.Df 8 (magistrala de date);

5 linii de control a interfetei (magistrala de control):

o        anulare interfata;

o        atentie;

o        sfarsit de mesaj;

o        comanda exterioara;

o        cerere de serviciu;

3 linii pentru asigurarea protocolului de comunicare cu confirmare (magistrala de transfer):

o        validare date;

o        inapt pentru primirea datelor;

o        date neacceptate.

    Toate semnalele sunt active la nivel mare de tensiune (0 logic).

    Controlerul de magistrala primeste informatii privind sursa si destinatia datelor si pregateste aparatele in vederea desfasurarii efective a schimbului.

    Alte exemple de magistrale binecunoscute sunt magistralele seriale RS- 232C, RS-485, magistrala CEI-625, de asemenea standardizate.

3.6 TESTAREA SI CALIBRAREA BLOCURILOR COMPONENTE ALE APARATULUI

Testarea corectei functionari si calibrarea sunt operatii dificile pentru operator datorita complexitatii echipamentelor. In acelasi timp ele sunt corelate. De aceea s-a ajuns la solutia testarii automate, cu ajutorul microsistemului, a blocurilor componente si a aparatului in ansamblu, prin intermediul unor programe de test.

    m P poate doar semnala existenta unei abateri inadmisibil de mari aparute in cursul testarii sau poate detecta chiar blocul ce prezinta defectul. In acest ultim caz se prevede inca din faza de proiectare posibilitatea de izolare a blocurilor componente, printr-o structura interna cu comunicatii de tip magistrala.
    Testarea propriu-zisa se face conectand la intrarea blocurilor testate stimuli numerici sau analogici si urmarindu-le raspunsurile. Stabilirea blocurilor sau grupului de blocuri ce se testeaza, ca si succesiunea testarilor, influenteaza mult volumul programului de testare.

    Programele de testare se activeaza la punerea sub tensiune, periodic sau la cererea operatorului.
    Operatia de calibrare, care urmareste aducerea aparatului la parametrii doriti, cuprinde compensari de decalaje si derive, corectii ale unor parametri (amplificari, atenuari, s.a.). Operatia de calibrare fiind de multe ori iterativa, poate fi preluata de m P.

3.7 IMPLEMENTAREA UNOR NOI ALGORITMI DE MASURARE

Folosirea m P permite implementarea unor algoritmi de masurare complecsi, atat ca secventa, cat si ca relatii de calcul implicate, la un pret de cost rezonabil. Singurele limitari care apar la folosirea unor algoritmi laboriosi se datoreaza vitezei de lucru a m P.

    Algoritmii folosiri, pentru a oferi o precizie superioara, e necesar sa fie prevazuti cu termeni de corectie raportati la conditiile de mediu (temperatura, umiditate, presiune, etc.).

    Odata cu evolutia m P a crescut desigur si precizia oferita de ele aparatelor de masura. Cele pe 8 biti nu ofera o precizie suficienta, intrucat rezolutia lor maxima de 1/256 nu este acceptabila, de aceea sunt necesare procesoare de la 16 biti in sus. Este important ca sa se poata folosi in programele care rezolva algoritmii de masurare cuvinte de lungime mare, care sa permita calculele complicate.
    Se exemplifica in continuare cu schema bloc a unui aparat de laborator cu m P, frecventmetrul numeric de productie romaneasca E-0208. Principalele caracteristici tehnice ale sale sunt:

moduri de masurare:

o        reciproc (f < 1 MHz);

o        direct (f > 1 MHZ);

selectare automata a modului de masurare si scarii, duba frecventa de intrare, pentru a obtine rezolutia maxima;

interfata pentru magistrala standard CEI-625, cu functiunile:

o        dialog asincron acceptor si sursa;

o        ascultator de baza;

o        vorbitor de baza;

o        cerere de serviciu (SRQ);

o        comanda distanta - local;

o        initializare aparat.

Moduri de lucru:

LOCAL - comanda de pe panoul aparatului. Functiunile comandate in acest regim sunt:

o        functia de autotestare, prin apasarea tastei TEST, aparatul masoara si afiseaza frecventa pilot de 10 MHz;

o        functia viteza de masurare: se apasa tasta DURATA MASURARE;

o        timpul de afisare: se regleaza cu potentiometrul DURATA RECICLARE;

o        nivelul de triggerare se fixeaza manual cu potentiometrul NIVEL;

o        atenuarea, folosind tasta ATENUATOR (x1, x20).

DISTANTA - comanda si transmiterea rezultatelor prin interfata: aparatul poate fi in intregime programabil de la distanta: atenuarea de intrare, nivelul de triggerare / autotriggerare, viteza de masurare. Functiile de interfata asigurate:

o        AH1 - dialog acceptor;

o        SH1 - dialog sursa,

o        L4 - ascultator de baza; se dezadreseaza la adresarea ca vorbitor;

o        T5 vorbitor de baza;

o        SR1 - cerere de serviciu;

o        RL1 - comanda de la distanta;

o        DC1 - initializare aparat;

o        DT1 - triggerare aparat.

VORBITOR: comanda de pe panoul frontal si transmiterea rezultatelor prin interfata. Aparatul lucreaza intr-un sistem fara controlor, de ex. cuplat cu un aparat de inregistrare a rezultatelor masurarii.

CHESTIUNI DE STUDIAT:

Explicati notiunea de logica cablata si prezentati dezavantajele ei.

Idem pentru logica programata (avantaje).

Ce consecinte favorabile rezulta prin aplicarea sistemelor cu logica cablata la aparatele de masura?

Prezentati rolul m P in structura generala a aparatelor de masurat.

Clasificati structurile de aparate de masurat cu m P in functie de numarul de procesoare. Avantaje ale unei structuri fata de alta.

Enumerati functiile m P in aparate de masurat.

Ce fel de retele de comunicatie intalnim intre blocurile unui aparat de masurat? Exemplificati pentru semnalele analogice.

Descrieti modurile de realizare a comunicatiei numerice (accesul la magistrala).