Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Постановка задачи исследования и выбор перспективных путей построения широкодиапазонных модулей ввода частотных импульсных сигналов в ЭВМ ^
1.1. Обзор частотных датчиков и преобразователей с частотным выходом систем автоматического управления 14
1.2. Обзор методов преобразования частотных импульсных сигналов в двоичный код 20
1.3. Сравнительный анализ и выбор наиболее перспективных методов преобразования 33
1.4. Обзор известных принципов построения и структур модулей ввода частотных импульсных сигналов в ЭВМ 37
Выводы по главе 1 43
Глава 2. Исследование точности и быстродействия многоканальных широкодиапазонных модулей ввода частотных импульсных сигналов в ЭВМ с параллельной структурой 45
2.1. Метод параллельных преобразований частотных импульсных сигналов в двоичный код и структурная схема его реализации 46
2.2. Алгоритм работы многоканального широкодиапазонного модуля ввода частотных импульсных сигналов в ЭВМ 51
2.3. Исследование факторов, определяющих возможности метода параллельных преобразований частотных импульсных сигналов 61
2.4. Метод анализа точности многоканального широкодиапазонного модуля ввода частотных импульсных сигналов в ЭВМ 66
2.5. Результаты исследования характеристик модулей ввода частотных импульсных сигналов в ЭВМ с параллельной структурой 77
Выводы по главе 2 84
Глава 3. Исследование точности и быстродействия многоканальных широкодиапазонных модулей ввода частотных импульсных сигналов в ЭВМ, основанных на методе зависимого счета 85
3.1. Преобразование частотных импульсных сигналов в двоичный код по модифицированному методу зависимого счета и структурная схема его реализации 86
3.2. Алгоритм работы многоканального широкодиапазонного модуля ввода частотных импульсных сигналов в ЭВМ в соответствии с модифицированным методом зависимого счета 91
3.3. Исследование факторов, определяющих возможности модифицированного метода зависимого счета для многоканальных преобразований частотных импульсных сигналов 101
3.4. Метод исследования точности многоканального широкодиапазонного модуля ввода частотных импульсных сигналов в ЭВМ, в котором используется модифицированный метод зависимого счета 105
3.5. Результаты исследования характеристик точности и быстродействия модуля ввода частотных импульсных сигналов в ЭВМ, основанного на модифицированном методе зависимого счета
Выводы по главе 3 121
Глава 4. Исследование точности и быстродействия адаптивных многоканальных широкодиапазонных модулей ввода частотных импульсных сигналов в ЭВМ 122
Адаптивный метод параллельных многосигнальных преобразований частотных импульсных сигналов в двоичный код и структурная схема его реализации 123
Алгоритмы адаптации и исследование факторов, определяющих возможности адаптивного многоканального широкодиапазонного модуля ввода частотных импульсных сигналов в ЭВМ 127
Метод исследования точности адаптивного многоканального широкодиапазонного модуля ввода частотных импульсных сигналов в ЭВМ 134
Результаты исследования точности и быстродействия адаптивного многоканального модуля ввода частотных импульсных сигналов в ЭВМ 140
Выводы по главе 4 147
Глава 5. Сравнение метрологических характеристик многоканальных широкодиапазонных модулей ввода частотных импульсных сигналов в ЭВМ 148
Результаты сравнения метрологических характеристик многоканальных широкодиапазонный модулей ввода частотных импульсных сигналов в ЭВМ 148
Заключение 154
Список используемой литературы
- Обзор методов преобразования частотных импульсных сигналов в двоичный код
- Алгоритм работы многоканального широкодиапазонного модуля ввода частотных импульсных сигналов в ЭВМ
- Исследование факторов, определяющих возможности модифицированного метода зависимого счета для многоканальных преобразований частотных импульсных сигналов
- Метод исследования точности адаптивного многоканального широкодиапазонного модуля ввода частотных импульсных сигналов в ЭВМ
Введение к работе
различных физических величин. В этом случае сбор и преобразование информации выполняются с помощью модулей ввода данных в ЭВМ. К модулям ввода данных в ЭВМ предъявляются высокие требования по точности, быстродействию, помехозащищенности, универсальности, экономичности, малым габаритам и др [30,31,61,63,64].
В диссертации исследуется проблема создания универсальных широкодиапазонных модулей ввода частотных импульсных сигналов в ЭВМ. Принципы построения и отдельные структуры подобных модулей ввода частотных импульсных сигналов в ЭВМ описаны в [6,7,23,30-33,35-37,40,53-59,61-64].
В [58] рассмотрен модуль ввода данных в ЭВМ, содержащий коммутатор п частотных сигналов, п параллельно работающих преобразователей частота - код, коммутатор результатов их преобразований, блок интерфейса и логического управления, буфер хранения результатов преобразований. Предлагаемый в [58] метод преобразования обеспечивает невысокое быстродействие, ограниченное временем преобразования сигнала наименьшей частоты. Верхний предел рабочего диапазона преобразуемых частот fmax принципиально ограничивается сверху числом входов п и максимальной частотой коммутации fkm: fmax=fkn/(2n). Так, например, npnfkm=\Mru, и я=8 получаем^,^=62,5^4.
В [61] рассмотрен модуль ввода, содержащий микро-ЭВМ с программным таймером и параллельным портом ввода 8-й частотных сигналов, 8 формирователей прямоугольных импульсов длительностью, равной периоду входного сигнала. В модуле выполняются параллельные прямые преобразования частот импульсов. В рабочем диапазоне (60....600)Гц частоты сигналов преобразуются в двоичный код с максимальной относительной погрешностью 0,1% за время, равное 50мс. Недостатками модуля являются невысокое быстродействие и узкий диапазон преобразуемых в двоичный код частот.
Предложенный в [53] модуль ввода частотных импульсных сигналов в ЭВМ включает шесть идентичных параллельно работающих преобразователей частота-код, блок селекции адресов и дешифрации команд, схему арбитража запросов на обслуживание и маскировки прерываний ЭВМ. На высоких частотах используется прямой метод преобразования частоты, на низких частотах - косвенный метод
ВВЕДЕНИЕ
преобразования в двоичный код периода импульсов. Рабочий диапазон преобразований составляет 0,05 Гц... Л МГц, относительная погрешность не превышает 0,05%. Однако, время преобразования достаточно велико: на частотах свыше 1кГц оно составляет 2с.
Рассмотренным модулям ввода частотных импульсных сигналов в ЭВМ присущи следующие существенные недостатки: ограниченный диапазон преобразуемых частот и (или) невысокое быстродействие и (или) низкая точность и (или) невысокая помехоустойчивость преобразования частоты импульсного сигнала в двоичный код.
В диссертации предлагается решение этой проблемы. Проводятся исследования путей построения универсальных широкодиапазонных помехозащищенных высокоточных многоканальных модулей ввода в ЭВМ частотных импульсных сигналов, снимаемых с выходов частотных датчиков различных физических величин. Разработка подобных модулей ввода частотных импульсных сигналов в ЭВМ позволит сократить номенклатуру, снизить стоимость разработки и изготовления модулей ввода данных, время решения научно-технических задач, сократить время обработки и передачи в ЭВМ информации, снимаемой с выходов частотных датчиков, повысить точность преобразования.
Для дальнейшего исследования в диссертации выбраны наиболее перспективные методы многосигнальных преобразований частота - код. Показано, что необходимые широкий рабочий диапазон, точность, быстродействие модулей ввода частотных импульсных сигналов в ЭВМ обеспечивают следующие методы преобразования: метод параллельных преобразований, метод зависимого счета и метод адаптивных преобразований. В диссертации разрабатываются и исследуются структурные схемы универсальных широкодиапазонных модулей ввода частотных импульсных сигналов в ЭВМ, в которых используются некоторые из этих методов. Исследуются точность, быстродействие, ограничения на достижимый рабочий диапазон широкодиапазонных модулей ввода частотных импульсных сигналов в ЭВМ.
Актуальность темы диссертации. Диссертация посвящена разработке принципов построения и исследованию технических характеристик
ВВЕДЕНИЕ
широкодиапазонных универсальных модулей ввода выходных сигналов частотных импульсных датчиков в ЭВМ, отличающихся высокой точностью, быстродействием, большим числом преобразуемых сигналов, универсальностью, помехоустойчивостью и широким диапазоном преобразования.
Решение поставленной в диссертации задачи позволит:
создать универсальные широкодиапазонные модули ввода частотных импульсных сигналов в ЭВМ;
уменьшить номенклатуру и стоимость разрабатываемых модулей ввода данных;
выполнять преобразования в двоичный код сигналов, частота которых меняется в широком диапазоне.
Целью диссертации является выбор перспективных принципов построения структур модулей ввода частотных импульсных сигналов в ЭВМ; разработка принципов действия и алгоритмов работы этих структур; исследование технических характеристик универсальных широкодиапазонных модулей ввода частотных импульсных сигналов в ЭВМ: рабочих диапазонов, погрешностей преобразования, времен преобразования.
Рассматриваемые в диссертации задачи:
Сравнительный анализ и разработка наиболее перспективных структур построения модулей ввода частотных импульсных сигналов в ЭВМ.
Исследование достижимых технических характеристик модулей ввода данных: точности, быстродействия, ширины рабочего диапазона.
Сравнительная оценка различных структур универсальных широкодиапазонных модулей ввода частотных импульсных сигналов в ЭВМ.
Разработка алгоритмов управления работой микропроцессорных модулей ввода данных.
Методы исследования. Исследования проведены с помощью математических аппаратов линейной алгебры и математического анализа, теории вероятностей и математической статистики; теории измерений и теории
ВВЕДЕНИЕ
автоматического регулирования; численных методов и методов системного программирования.
Достоверность научных положений, выводов и рекомендаций
подтверждается результатами моделирования на ЭВМ, корректностью используемых в исследованиях математических моделей и выводов, публикациями полученных результатов в отечественной печати и обсуждением докладов на научно-технических конференциях.
Научная новизна и основные положения выносимые на защиту.
Исследование принципов построения, анализ достижимых технических характеристик универсальных широкодиапазонных модулей ввода частотных импульсных сигналов в ЭВМ позволили получить следующие выносимые на защиту новые научные результаты.
Структуры универсальных широкодиапазонных модулей ввода частотных импульсных сигналов в ЭВМ.
Методы анализа точности и быстродействия, ограничений на ширину рабочего диапазона универсальных широкодиапазонных модулей ввода частотных импульсных сигналов в ЭВМ.
Алгоритмы управления и работой микропроцессорных универсальных широкодиапазонных модулей ввода частотных импульсных сигналов в ЭВМ.
Практическая значимость состоит в следующем:
исследованы принципы построения универсальных помехоустойчивых высокоточных широкодиапазонных модулей ввода частотных импульсных сигналов в ЭВМ, предназначенных для промышленных применений и научных исследований, способных работать с широким спектром частотных датчиков различных физических величин;
разработаны и исследованы структуры и алгоритмы управления модулями ввода частотных импульсных сигналов в ЭВМ;
получены предельные технические характеристики модулей ввода частотных импульсных сигналов в ЭВМ: характеристики точности, быстродействия, помехоустойчивости, ширины рабочего диапазона.
ВВЕДЕНИЕ
Проведенные исследования позволяют разрабатывать широкодиапазонные помехоустойчивые высокоточные быстродействующие модули ввода частотных импульсных сигналов в ЭВМ для систем автоматического управления, регулирования и контроля, систем автоматизации научных исследований.
Реализация результатов.
Полученные в диссертационной работе результаты использованы в НИР в рамках тематических планов НИР МИЭМ:
2002г. «Разработка методологии построения информационных систем, технических средств и программных продуктов в интересах обеспечения качества образовательного процесса»;
2003г. «Методология интеллектуальных систем управления в области технического образования»;
2004г. «Методология построения информационных систем, программных и технических средств в области высшего профессионального образования».
Результаты работы используются в учебном процессе кафедры Управление и информатика в технических системах ГОУ ВПО Московского Государственного института электроники и математики в дисциплинах «Метрология и измерения» и «Идентификация и диагностика технических систем управления».
Апробация работы. Основные теоретические и практические результаты, полученные в диссертации, докладывались и обсуждались на конференции студентов, аспирантов и молодых специалистов (Москва, МГИЭМ, 1998г); конференции студентов, аспирантов и молодых специалистов (Москва, МГИЭМ, 1999г); Международной школе-семинаре «Новые информационные технологии» (Судак, 1999г); конференции студентов, аспирантов и молодых специалистов (Москва, МГИЭМ, 2000г); Международной школе-семинаре «Новые информационные технологии» (Судак, 2000г); LV научной сессии, посвященной Дню радио (Москва, 2000г); Международной школе-семинаре «Новые информационные технологии» (Судак, 2001 г); конференции студентов, аспирантов и молодых специалистов, посвященной 40-летию МИЭМ (Москва, МИЭМ, 2002г).
ВВЕДЕНИЕ
Публикации. По теме диссертации опубликовано 14 работ: 4 научные статьи в журналах «Измерительная техника» и «Датчики и системы»; 9 тезисов докладов на международных и всероссийских школах-семинарах и научно -технических конференциях.
Структура диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти глав и заключения.
Во введении рассмотрены цель диссертации, решаемые в ней задачи, актуальность, научная новизна, практическая значимость, области применения исследуемых в диссертации широкодиапазонных модулей ввода частотных импульсных сигналов в ЭВМ; основные положения, выносимые на защиту; методы исследований; вопросы апробации и публикаций.
В первой главе проведен обзор частотных датчиков с целью осуществления рационального выбора рабочих диапазонов исследуемых и разрабатываемых модулей ввода данных; проведен обзор известных методов преобразования частотных импульсных сигналов в двоичный код с целью выявления достоинств и недостатков этих методов; проведен сравнительный анализ методов преобразования частотных импульсных сигналов в двоичный код с целью выбора наиболее перспективных путей для построения универсальных широкодиапазонных модулей ввода данных в ЭВМ; проведен обзор известных структур модулей ввода частотных импульсных сигналов в ЭВМ с целью оценки состояния области проводимых в диссертации исследований.
Во второй главе предлагается метод многоканальных параллельных преобразований в двоичные коды частотных импульсных сигналов, поступающих с выходов частотных датчиков физических величин, отличающийся многоканальностью и использованием общей шкалы времени для всех каналов преобразования; разработана структурная схема многоканального широкодиапазонного модуля ввода частотных импульсных сигналов в ЭВМ, в котором применяется метод параллельных преобразований; приводится описание алгоритма управления работой модуля ввода данных. В этой главе также исследуются факторы, ограничивающие возможности метода многоканальных параллельных преобразований частотных импульсных сигналов в двоичные коды,
ВВЕДЕНИЕ
определяется рабочий диапазон преобразуемых частот, проводится анализ точности и быстродействия многоканального широкодиапазонного модуля ввода частотных импульсных сигналов в ЭВМ с параллельной структурой.
В третьей главе предлагается модифицированный метод зависимого счета для проведения многоканальных преобразований в двоичные коды частотных импульсных сигналов, поступающих с выходов частотных датчиков физических величин; разработана структурная схема многоканального широкодиапазонного модуля ввода частотных импульсных сигналов в ЭВМ, в котором применяется предлагаемый метод преобразований; приводится описание алгоритма управления работой модуля ввода данных. В этой главе исследуются также факторы, ограничивающие возможности метода многоканальных преобразований частотных импульсных сигналов в двоичные коды, определяется рабочий диапазон преобразуемых частот, проводится анализ точности и быстродействия многоканального широкодиапазонного модуля ввода частотных импульсных сигналов в ЭВМ, основанного на предложенном модифицированном методе зависимого счета.
В четвертой главе предлагается модифицированный адаптивный метод многоканальных преобразований в двоичные коды частотных импульсных сигналов, поступающих с выходов частотных датчиков физических величин; разработана структурная схема многоканального широкодиапазонного модуля ввода частотных импульсных сигналов в ЭВМ, в котором применяется предлагаемый метод преобразований; приводится описание алгоритмов текущей и начальной адаптации модуля ввода данных. В этой главе исследуются также факторы, ограничивающие возможности метода многоканальных преобразований частотных импульсных сигналов в двоичные коды, определяется рабочий диапазон преобразуемых частот, проводится анализ точности и быстродействия многоканального широкодиапазонного модуля ввода частотных импульсных сигналов в ЭВМ, основанного на предложенном модифицированном адаптивном методе.
В пятой главе приводятся результаты сравнения метрологических характеристик предложенных в диссертации многоканальных широкодиапазонных
ВВЕДЕНИЕ
модулей ввода частотных импульсных сигналов в ЭВМ и существующих аналогичных модулей ввода данных.
В заключении сформулированы основные результаты диссертации.
Обзор методов преобразования частотных импульсных сигналов в двоичный код
Основными критериями оценки и сравнения методов аналого-цифрового преобразования частотных импульсных сигналов в двоичный код выбраны [9]: точность преобразования; длительность преобразования; достижимый рабочий диапазон преобразуемых частот; сложность реализации метода преобразования.
Выбранный, на основании проведенного в предыдущем параграфе анализа области применения частотных датчиков в системах автоматического управления, рабочий диапазон преобразуемых частот импульсов условно разбит на 9 поддиапазонов: [0,01; ОД] Гц, [0,1; 1] Гц, [1; 10] Гц, [10; 100] Гц, [0,1; 1] кГц, [1; 10] кГц, [10; 100] кГц, [0,1; 1] МГц, [1; 10] МГц. Ширина и количество поддиапазонов выбраны из соображений простоты проводимого анализа.
Рассмотрим наиболее перспективные методы аналого-цифрового преобразования частоты импульсов в двоичный код.
Прямой метод преобразования [35,39,621
Прямой метод преобразования заключается в подсчете числа периодов измеряемой частоты за образцовый интервал времени Т0бР. Выбор величины образцового интервала определяется необходимыми точностью и быстродействием преобразования. Очевидно, что время преобразования тпр равно: тпр= Тобр. Число сосчитанных за образцовый интервал времени импульсов неизвестной частоты приближенно равно N& Тобр/х. Для каждого частотного поддиапазона выбирается своя величина образцового временного интервала Тобр. Выбор своего образцового интервала времени для каждого поддиапазона преобразования должен обеспечивать число сосчитанных импульсов N= 103 104 и, следовательно, относительную методическую погрешность преобразования, не превышающую 5MMiax=l/Nmin=0,l%. Исходя из соображений требуемой точности преобразования и простоты реализации необходимость в N
Постановка задачи исследования и выбор перспективных путей построения широкодиапазонных модулей ввода частотных импульсных сигналов в ЭВМ отсутствует. При правильно организованных преобразованиях переполнение счетчика импульсов неизвестной частоты /х не должно возникать. Результирующие характеристики прямого метода преобразования приведены в табл. 1.2, Из рассмотрения этих характеристик следует, что недостатком метода являются большие времена преобразования т„р на низких частотах.
Прямой метод преобразования с умножением частоты [571
В целях снижения больших времен преобразования тпр, присущих предыдущему методу, на низких частотах fx можно использовать цифровые умножители частоты (ЦУЧ). Наиболее распространенный принцип действия ЦУП состоит в следующем. Процесс умножения частоты состоит из двух этапов. На первом этапе, формируется код, пропорциональный периоду преобразуемой частоты Tx=l/fx, путем счета импульсов первой опорной частоты /у первым счетчиком импульсов: Л &fi Тх. Код числа Nj запоминается в блоке памяти. На втором этапе на следующем периоде входного сигнала Тх+1 вторым счетчиком считаются импульсы N2 второй опорной частоты f2»fi, до значения запомненного в блоке памяти кода числа Nj. Осуществляется сравнение кодов N2 и Nil при равенстве N2= Ni обнуляется второй счетчик и начинается новый этап счета частоты /2 (счет сначала) и т.д. При этом импульсы, сопровождающие обнуление второго счетчика, являются выходным сигналом ЦУЧ. Коэффициент умножения частоты К определяется отношением опорных частот: K=f2/fj. За счет умножения частоты время преобразования на низких частотах снижается в К раз.
Умножение частот используется только в области от 0,01 Гц до 100Гц. В качестве примера рассмотрим следующие возможные значения опорных частот: fi= 1 кГц, f2=\00 кГц; тогда коэффициент умножения частоты К =100. В табл. 1.2 приведены результирующие характеристики метода: результат умножения частоты К/х, необходимая емкость обоих счетчиков импульсов Nj, требуемый образцовый интервал времени Тобр и время тпр преобразования частоты fx в двоичный код. Тем не менее время преобразования т„р на низких частотах остается весьма большим, а реализация больших коэффициентов умножения встречает практические трудности.
Алгоритм работы многоканального широкодиапазонного модуля ввода частотных импульсных сигналов в ЭВМ
Блок-схема управляющей программы широкодиапазонного четырехканального модуля ввода частотных импульсных сигналов в ЭВМ, реализующего метод параллельных многоканальных преобразований модуля ввода данных, разработана с учетом применения 16-разрядных микроконтроллеров, например, серии MCS-296 [34], и представлена на рис.2.2.
Для обеспечения широкого диапазона преобразования частот в микроконтроллере организуется 32-разрядный двухкаскадный таймер, каскадным подключением выхода младшего таймера ТМ1 (работающего в режиме внешнего тактирования) ко входу старшего таймера ТМ2 (тактируемого сигналами переполнения младшего таймера ТМ1).
В алгоритме используется система вложенных прерываний современных микроконтроллеров. В порядке приоритетности (начиная с более высокого приоритета) ниже перечислены используемые в алгоритме запросы на прерывание основной программы микроконтроллера: от ДПП микроконтроллера с приходом команд управления модулем ввода данных из ЦЭВМ; от старшего таймера ТМ2 двухкаскадного таймера микроконтроллера в момент его переполнения; от каналов захвата EPAi,....EPAn процессора внешних событий микроконтроллера.
Работа управляющей программы начинается с блокировки всех прерываний микроконтроллера и инициализации модуля ввода данных: настройки всех п блоков захвата процессора внешних событий на прием прямоугольных импульсных последовательностей, настройки таймера микроконтроллера.
Задается максимальное число выходов ВМ за любой из пределов рабочего диапазона частот; минимальное необходимое число сосчитанных импульсов Nmin для всех каналов преобразования, определяющее их разрешающую способность; режим обмена сообщениями с ЦЭВМ. При превышении числа ВМ в произвольном к-м канале делается вывод о выходе преобразуемой частоты за пределы рабочего диапазона и преобразования в этом канале прекращаются.
Перед началом работы модуля ввода данных производятся сброс значений обоих таймеров ТМ1, ТМ2 и обнуление параметров алгоритма {BNfkJ, ВВ[к], РТМ2[к]; для к=1,4}, где BNfkJ и BBfkJ- числа выходов к-й преобразуемой частоты за, соответственно, верхний и нижний пределы рабочего диапазона преобразования частот, РТМ2[к] - индикатор переполнений таймера ТМ2 за время преобразования в к-м канале.
После этого организуется цикл настройки всех блоков захвата процессора внешних событий микроконтроллера на захват передних фронтов стробов напряжений. Индикаторам номера фронта {ik} присваивается признак переднего фронта «1»: 4=7, для =1,4; признаком заднего фронта является ц = 2- На этом процесс инициализации модуля ввода данных заканчивается и модуль ввода данных ожидает прихода запросов на прерывание от ЦЭВМ или встроенных периферийных устройств микроконтроллера.
При появлении одного из запросов на прерывание в микроконтроллере производятся идентификация прерывания и переход к подпрограмме его обслуживания. На первом этапе работы модуля ввода данных производится разблокировка прерываний, вызываемых приходом команд с ЦЭВМ. При появлении прерывания от ЦЭВМ выполняется прием пришедшей команды и выясняется ее содержимое: информирует она о начале или о конце преобразований. В случае, если пришла команда конца преобразований, модуль ввода переводится в режим резерва «Standby)). Если пришла команда начала преобразований, производятся разблокировка всех немаскируемых стандартных прерываний и запуск таймера, а модуль переводится в режим ожидания прерываний с пониженным потреблением энергии.
Рассмотрим ситуацию прихода запроса на прерывание от двухкаскадного таймера; это свидетельствует о переполнении таймера ТМ2 и прерывание обслуживается следующим образом. Организуется цикл изменений содержимых индикаторов переполнений во всех каналах преобразований. Переполнение таймера ТМ2. учитывается только в том к-ом канале, где уже идет преобразование (4=2). Содержимое индикатора переполнения РТМ2[к] этого канала инкрементируется и при числе переполнений, не превышающем 1, преобразования в к-ом канале протекают нормально. Ситуация РТМ2[к] 1 свидетельствует о выходе преобразуемой частоты за нижний предел рабочего диапазона. При этом инкрементируется текущее число выходов за нижний предел BN[k] и полученное значение сравнивается с допустимым числом выходов ВМ. При BN[k] ВМ формируется сообщение о выходе частоты сигнала Sk(t) за нижнюю границу рабочего диапазона, посылаемое через ДПП микроконтроллера в ЦЭВМ, и преобразования в k-ом канале прекращаются (блокируются прерывания от ЕРАк). Если все каналы преобразований ЕРАк блокированы или пришла команда с ЦЭВМ об окончании преобразований в модуле ввода данных, на этом работа алгоритма заканчивается. После изменений состояний индикаторов переполнений всех каналов преобразования цикл изменений содержимых индикаторов переполнений заканчивается и производится возврат микроконтроллера в режим ожидания прерываний с пониженным потреблением энергии.
Приход запроса на прерывание от произвольного блока захвата ЕРАк свидетельствует о появлении на входе блока переднего или заднего фронта строба напряжения. Рассмотрим программу обслуживания этого прерывания ik. Производится анализ признака пришедшего фронта. Процессор внешних событий осуществляет захват времени прихода переднего фронта строба напряжения: содержимое старшего таймера Т1к записывается в основной регистр, а содержимое младшего таймера tlk - в буферный регистр канала захвата. Далее содержимое обоих регистров передается в центральный процессор микроконтроллера.
Исследование факторов, определяющих возможности модифицированного метода зависимого счета для многоканальных преобразований частотных импульсных сигналов
На рис.3.3 для этого случая показана одна из возможных реализаций преобразуемых сигналов, а также сигналы управления и процессы обработки сигналов в микроконтроллере (упр. и обр. на временных диаграммах). Для большей ясности число каналов преобразования ограничено тремя.
На рис.3.3. введены следующие обозначения: Si(t),...,S3(t) - преобразуемые импульсные сигналы; Иф MKj - импульсы начала и конца интервала преобразованияj-то сигнала; tHj, -моменты времени появления импульсов Иф Щ\ tn,mm - минимальный интервал, гарантирующий требуемую точность преобразований; tnj - момент времени его окончания в у -м канале преобразования; НЦ/ - команда начала преобразования у -го сигнала; щ, щ-, щ -длительности процессов обработки прерываний микроконтроллера, связанных с появлением Иф моментом времени їф и появлением импульса Иф соответственно; Тпр - полное время преобразования в одном канале; тпу - время передачи результата преобразований j-го канала в ЦЭВМ.
Время обработки импульса начала интервала преобразования щ включает времена захвата импульса HHj, фиксации и запоминания момента его появления t„j, расчета момента времени tnj- = tHj + tnmin - окончания минимального интервала
1 преобразования в j-ом канале, блокирования у -го блока захвата процессора внешних событий и инициализации блока сравнения микроконтроллера.
Время обработки t02j в момент времени tnj- включает время коммутации электронных ключей /-го канала преобразования и разблокировки у -го блока захвата процессора внешних событий микроконтроллера.
Время обработки T03J включает время захвата импульса HKJ-, фиксации и запоминания момента его появления tKJ-, анализа числа переполнений двоичного счетчика импульсов, съема и запоминания его содержимого, расчета периода преобразуемой частоты и передачи последнего совместно с кодами адреса модуля ввода данных и канала преобразования в двунаправленный порт последовательного ввода - вывода микроконтроллера.
Время передачи результатов преобразований в ЦЭВМ - т„ - определяется длиной сообщения и скоростью передачи цифровой информации по каналу связи модуля ввода данных с ЦЭВМ. Применение современных интерфейсов RS-485 обеспечивает скорость передачи данных порядка нескольких Мбод.
Получим выражения, связывающие параметры модуля ввода частотных импульсных сигналов в ЭВМ со значениями верхнего предела fx.max диапазона преобразований. Для простоты рассуждений будем считать значения xoij, іщ, хщ, Хщ не зависящими от порядкового номера канала преобразования j. Введем обозначения: щ=т0ь Щ=т02, щ=т03, rnj= тп, для/=1,и.
Анализ алгоритма работы модуля ввода данных и характеристик быстродействия современных микроконтроллеров показал, что для произвольного канала преобразования выполняются следующие соотношения: Xf)2 Toi тоз т„ t„tmin.
Значение нижнего предела диапазона преобразований fxmin при условии не более одного переполнения таймера микроконтроллера за время преобразования определяется частотой счета fCH и разрядностью таймера г: Ix.min — 1си \- ) При организации программного счета числа переполнений таймера за время преобразования, выполняемого с разрядностью р, значение fxmin может быть уменьшено в 2Р:
Метод исследования точности адаптивного многоканального широкодиапазонного модуля ввода частотных импульсных сигналов в ЭВМ
Предложенный во второй главе метод параллельных преобразований п частотных импульсных сигналов в двоичный код с последующей передачей результатов преобразований в центральную ЭВМ (ЦЭВМ) обеспечивает недостаточно широкий диапазон преобразуемых частот. С целью повышения верхней границы диапазона преобразуемых частот в этом параграфе предлагается использовать адаптацию параметров модуля ввода данных к значению преобразуемой частоты, рассматривавшуюся в главе 1 и предложенную в [36,37].
В поддиапазоне от 0,003 Гц до /хгр= 1кГц применяется неадаптивный метод параллельных преобразований, в основу которого положен косвенный метод преобразования периода входной импульсной последовательности в двоичный код с последующим определением неизвестной частоты импульсной последовательности. Здесь /хгр играет роль верхней границы поддиапазона неадаптивных преобразований [46].
На частотах свыше 1кГц преобразование периода входной импульсной последовательности осуществляется за т ее периодов, зависящих от значения преобразуемой частоты. Как показывают дальнейшие исследования это позволяет расширить диапазон преобразований частотных сигналов до нескольких мегагерц.
В качестве примера, в табл.4.1. приведены конкретные выбранные значения перестраиваемого числа периодов т и полученные значения числа счетных импульсов Nuun, обеспечивающих методические погрешности преобразования, не превышающие 0,01%.
В таблице Ыимп - число счетных импульсов, поступивших на вход таймера микроконтроллера (МК) за время т периодов входного импульсного сигнала. Кратность значений т числу 4 объясняется преобразованием частоты в двоичный код и стремлением к более простой реализации метода преобразования.
В каждом из п каналов преобразования выполняются аналогичные операции. Рассмотрим работу произвольного канала преобразования. Из поступающей на вход канала преобразования импульсной последовательности формируется последовательность симметричных прямоугольных импульсов со скважностью равной двум, передними и задними фронтами синхронизированными с передними фронтами импульсов исходной импульсной последовательности. Длительность сформированных прямоугольных импульсов в идеальном случае равна т периодам исходной импульсной последовательности.
Сформированный прямоугольный импульс поступает на один из входов микроконтроллера, в памяти которого запоминаются вырабатываемые таймером микроконтроллера значения моментов времени прихода переднего и заднего его фронтов. После прихода на вход микроконтроллера обоих фронтов прямоугольного импульса в микроконтроллере определяется длительность прямоугольного импульса, равная длительности т периодов исходной импульсной последовательности. Далее в микроконтроллере определяется частота входной импульсной последовательности, двоичный код которой передается в ЦЭВМ. Аналогичные преобразования выполняются параллельно во всех каналах преобразования МВД.
Реализация метода адаптивных параллельных преобразований существенно облегчается с использованием современных быстродействующих микроконтроллеров, в состав которых входят процессор внешних событий с несколькими программируемыми устройствами захвата; 32-разрядные таймеры/счетчики; двунаправленные порты последовательной связи микроконтроллера с ЦЭВМ. В адаптивном методе параллельных преобразований таймеры/ счетчики микроконтроллера используются, для формирования единой шкалы времени для всех каналов преобразования.
В качестве примера реализации предложенного адаптивного метода многоканальных параллельных преобразований рассмотрим параллельную структуру широкодиапазонного адаптивного модуля ввода п частотных импульсных сигналов в ЭВМ, представленную на рис.4.1.
