Схема, технические параметры и принцип работы шестиканального цифрового вольтметра. Прототипы схем измерения и отображения информации, подключения клавиатуры, сбора и накопления данных. Обработка аналоговых сигналов в микроконтроллере, его инициализация.
Краткое сожержание материала:

Размещено на

Аннотация

В настоящем курсовом проекте была разработана шестиканальная информационно-вычислительная система анализа характеристик электрических сигналов. Разработанная система реализует измерение трёх аналоговых и трёх цифровых сигналов, аналогово-цифровое преобразование аналоговых сигналов, отображение результатов на индикаторе, накопление по каждому из каналов с усреднением по времени на интервале, определение действующего значения параметра, сохранение и передачу результатов по стандартному протоколу. Основанием для разработки является задание на курсовое проектирование.

Курсовой проект выполнен на 65-ти листах, содержит 3 чертежа.

Summary

In the present coursework the six-channel data-processing system for electric signal analysis was developed. The constructed system realizes measuring of three analog and three digital signals, analog-digital conversion of the analog signals, display of results on the indicator, accumulation on each of channels with time averaging on an interval, definition of measured parameter's effective value, data saving and data transfer under the standard protocol. The basis for development is the task for course designing.

The course project is executed on 65 sheets, contains of the 3 drawings.

Задание на курсовой проект “Информационно-вычислительная система анализа характеристик электрических сигналов”

Число входных сигналов	аналоговых	релейных
	3	3
Величина входного аналогового напряжения
Максимальная основная частота входного сигнала	50Гц
Уровни релейных сигналов - совместимы с ТТЛ уровнями.	+
Ввод релейных сигналов реализовать через прерывание, асинхронно.	+
Максимальная длина проводников до источника первичного сигнала - не более	3м
Вывод информации - на цифровое табло	Число строк	Число столбцов
	3	8
Элементы индикации	7-сегментные
Время формирования сигнала на выходе - не более	1с
Точность представления входной информации - не хуже	0.1%
Точность представления выходной информации - не хуже	1%
Частота измерения входного сигнала (ГОСТ 8-109-98)
Число отсчетов при одном измерении - не менее	20
Время изменения	24 часа
Функциональная клавиатура	16 клавиш
Объем памяти команд - не менее	16Кб

По результатам измерений за одну минуту вычисляются шесть параметров для каждого входного сигнала с указанной точностью (разрядностью), которые и записываются в память для хранения. После 24 часов измерений результаты документируются и обновляются.

Функции системы:

· ввод сигналов;

· накопление по каждому из каналов с усреднением во времени;

· вывод результатов по стандартному интерфейсу на печать и индикацию.

Содержание

• 1. Разработка технического задания
• 2. Техническое предложение и описание
• 2.1 Прототип схемы измерения и отображения информации
• 2.2 Прототип схемы подключения клавиатуры
• 2.3 Прототип схемы сбора и накопления данных
• 2.4 Описание принципиальной схемы устройства
• 2.5 Проверочные расчеты
• 3. Программная часть
• 3.1 Описание алгоритма программы
• Заключение
• Список использованной литературы
• Приложение

1. Разработка технического задания

Анализ задания на курсовое проектирование показывает, что по сути разрабатываемая система является шестиканальным цифровым вольтметром с тремя аналоговыми и тремя цифровыми входами, который дополнен системой сбора и накопления данных. Структурная схема такого прибора приведена на рис. 1.

Рис. 1. Структурная схема разрабатываемого прибора в первом приближении

Рассмотрим количественные характеристики проектируемой системы, следующие из задания на курсовой проект. Согласно рекомендациям к проекту, ширину спектра следует ограничить десятой гармоникой аналогового сигнала

.

Тогда для трёх мультиплексируемых аналоговых входа частота преобразования АЦП должна удовлетворять соотношению

(1)

Поскольку современные АЦП, интегрированные на одном кристалле с микроконтроллером, имеют минимальную частоту эффективного аналогово-цифровых преобразования , то соотношение (1) удовлетворяется с очень большим запасом. Заметим, что для микроконтроллеров ATmega фирмы Atmel (см. напр. [1]), которые будут использоваться в данной работе, большинство операций происходит за один такт процессора, частота которого , т.е. операции пересылки и ввода-вывода происходят за время, много меньшее времени преобразования АЦП, так что временем выполнения этих операций можно пренебречь. Куда существенней оказывается вклад, обусловленный конечным количеством отсчётов, требуемых для измерений. Будем производить в течение одного измерения выборки для накопления и последующего программного вычисления среднего значения измеряемого напряжения. Во-первых, это число больше 20-ти требуемых в задании отсчётов, во-вторых, деление числа на 32 сводится к сдвигу этого числа вправо на 5 бит, т.е. операция вычисления среднего значения сигнала по каждому из входов выполняется за 33 такта процессора - 32 сложения и 1 сдвиг вправо на 5 бит. Тогда частота, с которой производится аналогово-цифровых преобразования для получения среднего значения по всем 3-м аналоговым входам составит

.

Таким образом, пренебрегая временем вычисления средних значений по всем трём аналоговым входам и временем пересылок из регистров процессора в память, которое составляет примерно

,

получим для времени измерения трёх аналоговых сигналов

По условию задания, частота измерения входного сигнала (ГОСТ 8-109-98) должна составлять

.

Т.е. по условию цикл опроса трёх аналоговых выходов должен занимать приблизительно 1 секунду, тогда как аппаратно возможно производить около 500 циклов опроса за ту же самую секунду. Таким образом, по времени измерения всех трёх входных аналоговых сигналов микроконтроллеры ATmega фирмы Atmel нам подходят.

Анализ существующих схем, описывающих работу требуемых по заданию подсистем, показывает, что для реализации всей системы требуется 25 линий микроконтроллера - шесть линий для входных аналоговых и цифровых сигналов, три линии для управления подсистемой индикации, девять линий для подключения клавиатуры (четыре строки, четыре столбца и вход прерывания), пять линий для чтения и записи данных на карту памяти SD и две линии для связи с персональным компьютером. Таким образом, можно использовать любой контроллер ATmega, начиная с модели ATmega16 (c 16 Кбайт встроенной памяти команд) и выше, имеющий встроенный АЦП. Из соображений возможности дальнейшей модернизации прибора и усложнения работы его программы, мы будем использовать микроконтроллер ATmega128. Кроме того, выбор именно этой модели контроллера обуславливается наличием у него поддержки семи внешних прерываний, а именно столько нам и нужно - одно прерывание будет обслуживать нажатие кнопки клавиатуры, а три остальных - ввод цифровых сигналов по трём линиям.

Кроме аналоговых сигналов, у нас в системе по заданию должно обрабатываться ещё три цифровых сигнала. Однако поскольку вход цифровых сигналов должен быть реализован посредством прерывания, время измерения этих сигналов определяется временем вычисления среднего значения этих сигналов и временем пересылки их из регистров в память контроллера

,

т.е. существенного вклада во время измерения цифровые сигналы не вносят. Тем более не вносит существенного вклада время прохождения сигнала по проводникам от источника пе...