Микропрроцессоры

Кривые сложения играют в колориметрии большую роль. По ним можно рассчитать количества основных цветов, требуемые для получения  смеси, зрительно неотличимой от цвета излучения сложного спектрального состава, т. е. ЦК такого цвета в ЦКС, определяемой данными кривыми сложения. Для этого цвет сложного излучения представляют в виде суммы чистых спектральных цветов, соответствующих его монохроматическим составляющим (с учётом их интенсивности). Возможность подобного представления основана на одном из опытно установленных законов смешения цветов, согласно которому ЦК цвета смеси равны суммам соответствующих координат смешиваемых цветов. Т. о., кривые сложения характеризуют реакции на излучение 3 разных приёмников излучения. Очевидно, что функции спектральной чувствительности 3 типов приёмников в сетчатке глаза человека представляют собой кривые сложения в физиологической ЦКС. Каждой из бесконечно большого числа возможных ЦКС соответствует своя группа из 3 кривых сложения, причём все группы кривых сложения связаны между собой линейными соотношениями. Следовательно, кривые сложения любой из всех 1 возможных ЦКС можно считать линейными комбинациями функций спектральной чувствительности 3 типов приёмников человеческого глаза.

Фактически основой  всех ЦКС является система, кривые сложения которой были определены экспериментально описанным выше способом. Её основными  цветами являются чистые спектральные цвета, соответствующие монохроматическим излучениям с длинами волн 700,0 (красный), 546,1 (зелёный) и 435,8 нм (синий). Исходная (опорная) цветность — цветность равноэнергетического белого цвета Е (т. е. цвета излучения с равномерным распределением интенсивности по всему видимому спектру). Кривые сложения этой системы, принятой Международной комиссией по освещению (МКО) в 1931 и известной под название международной колориметрической системы МКО RGB (от англ., нем. red, rot — красный, green, grun — зелёный, blue, blau — синий, голубой), показаны на рис. 2.

 

Рис. 2.

 

Кривые сложения системы  МКО RGB имеют отрицательные участки (отрицательные количества основных цветов) для некоторых спектральных цветов, что неудобно при расчётах. Поэтому наряду с системой RGBМКО  в 1931 приняла др. ЦКС, систему XYZ, в которой отсутствовали недостатки системы RGB и которая дала ряд др. возможностей упрощения расчётов. Основными цветами (X), (Y), (Z) системы XYZ являются нереальные цвета, выбранные так, что кривые сложения этой системы (рис. 2) не имеют отрицательных участков, а координата Y равна яркости наблюдаемого окрашенного объекта, т.к. кривая сложения у совпадает с функцией относительной спектральной световой эффективности стандартного наблюдателя МКО для дневного зрения. На рис. 3 показан график цветностей (цветовой треугольник) х, у системы XYZ. На нём приведены линия спектральных цветностей, линия пурпурных цветностей, цветовой треугольник (R) (G) (В) системы МКО RGB, линия цветностей излучения абсолютно чёрного тела и точки цветностей стандартных источников освещения МКО А, В, С и D. Цветность равноэнергетического белого цвета Е (опорная цветность системы XYZ) находится в центре тяжести цветового треугольника системы XYZ. Эта система получила всеобщее распространение и широко используется в колориметрии. Но она не отражает цветоразличительных свойств глаза, т. е. одинаковые расстояния на графике цветностей х, у в различных его частях не соответствуют одинаковому зрительному различию между соответствующими цветами при одинаковой яркости.

Выберем промышленный датчик цвета CSM1 фирмы SICK (рис. 3). Принцип работы датчиков цвета основан на методе определения трех цветов. Датчик (рис.3.) излучает три цвета (красный, синий, зеленый), рассчитывает хроматичность и насыщенность отраженного луча и сравнивает полученные результаты с ранее заданными значениями цветовых координат. Если результаты сравнительного анализа находятся в пределах допустимых отклонений, генерируется выходной электрический сигнал.

Датчики SICK позволяют  измерять цветность как непрозрачных объектов (посредством отраженного излучения), так и прозрачных материалов (посредством проходящего света) при использовании отражателя.

Также, датчики воспринимают цвета блестящих объектов, не обладающих цветностью при отраженном излучении. Данная проблема может быть решена посредством изменения наклона датчика.

Детектируемый цвет (от одного до трех) программируется в режиме teach-in, где также задается и возможный  уровень отклонения от цвета.

Датчики цвета выпускаются  в прочных металлических корпусах и соответствуют всем промышленным стандартам безопасности.

Рис.3 – Внешний вид  датчика CSM1.

 

Назначение выводов  датчика:

1 – V_OUT – выходной сигнал сенсора цвета (В);

2 – Общий (земля);

3 – Вход напряжения питания  (5В);

Характеристики датчика:

- Габаритные размеры  12 х 20 х 22 мм;

- Материал корпуса пластик;

- Напряжение питания 5 В пост. тока ±20%;

- Класс защиты IP 67;

- Диапазон рабочих температур  -10…55°С;

- Диапазон срабатывания 12,5 мм;

- Тип выходного сигнала - напряжение 4,75 В;

- Частота срабатывания 1,5 кГц;

- Источник излучения  красный, голубой, зеленый светодиод;

- Подключение разъем  М12;

- Количество цветов 1 (программно).

 

3.2. Выбор и  расчет операционного усилителя

В качестве усилителя  выбираем операционный усилитель MAX4044 фирмы MAXIM, включенный по схеме дифференциального усилителя. Будем использовать один ОУ на канале «А» из четырех, находящихся в ИМС.

№	Обозна-чение	Назначение	№	Обозна-чение	Назначение
1	OUTA	Выход канала А	8	OUTD	Выход канала D
2	INA-	Инвертирующий вход канала А	9	IND-	Инвертирующий вход канала D
3	INA+	Неинвертирующий вход канала A	10	IND+	Неинвертирующий вход канала D
4	Vcc	Земля	11	Vее	Напряжение питания
5	INB+	Неинвертирующий вход канала В	12	INC+	Неинвертирующий вход канала С
6	INB-	Инвертирующий вход канала В	13	INC-	Инвертирующий вход канала С
7	OUTB	Выход канала В	14	OUTC	Выход канала С

 

Рис. 4 –Расположение  выводов MAX4044 и назначение ножек  ИМС.

 

Параметры усилителя:

Напряжение питания     4.5..5.5 В

Ток потребления при Uп = 5 В 14..20 мА

Входное сопротивление    4.4 кОм

 

Так как выходное максимальное выходное значение измеряемой величины с аналогового датчика составляет 4.75 В (по техническим характеристикам  используемого датчика CSM1), а максимальное входное напряжение АЦП составляет 5 В, то необходимости усиливать напряжение нет. Но для согласования выходной цепи датчика и входной цепи АЦП необходим повторитель напряжения (или усилитель тока и преобразователь импеданса). Он обладает высоким входным сопротивлением и низкой входной емкостью и низким выходным сопротивлением. Повторители напряжения применяют для согласования датчиков с устройствами обработки сигналов (например, АЦП). Их еще часто называют буферными устройствами между сенсором и нагрузкой.

 

Рис. 5 – Схема подключения  ИМС MAX4044 в качестве повторителя  напряжения

 

 

3.3. Описание  принципа действия и выбор  микросхемы АЦП

Преобразователь этого типа, называемый в литературе также АЦП с поразрядным  уравновешиванием, является наиболее распространенным вариантом последовательных АЦП.

В основе работы этого  класса преобразователей лежит принцип дихотомии, т.е последовательного сравнения измеряемой величины с 1/2, 1/4, 1/8 и т.д. от возможного максимального значения ее. Это позволяет для N-разрядного АЦП последовательного приближения выполнить весь процесс преобразования за N последовательных шагов (итераций) вместо 2N-1 при использовании последовательного счета и получить существенный выигрыш в быстродействии. Так, уже при N=10 этот выигрыш достигает 100 раз и позволяет получить с помощью таких АЦП до 105...106 преобразований в секунду. В то же время статическая погрешность этого типа преобразователей, определяемая в основном используемым в нем ЦАП, может быть очень малой, что позволяет реализовать разрешающую способность до 18 двоичных разрядов при частоте выборок до 200 кГц.

Рис. 6.1 – Структурная  схема (а) и временные диаграммы (б) АЦП последовательного приближения

Рассмотрим принципы построения и  работы АЦП последовательного приближения  на примере классической структуры (рис. 6.1,а) 4-разрядного преобразователя, состоящего из трех основных узлов: компаратора, регистра последовательного приближения (РПП) и ЦАП.

После подачи команды "Пуск" с  приходом первого тактового импульса РПП принудительно задает на вход ЦАП код, равный половине его шкалы (для 4-разрядного ЦАП это 10002=810). Благодаря этому напряжение Uос на выходе ЦАП (рис. 9б)

Uос=2³h.

где h - квант выходного  напряжения ЦАП, соответствующий единице  младшего разряда (ЕМР). Эта величина составляет половину возможного диапазона  преобразуемых сигналов. Если входное напряжение больше, чем эта величина, то на выходе компаратора устанавливается 1, если меньше, то 0. В этом последнем случае схема управления должна переключить старший разряд d3 обратно в состояние нуля. Непосредственно вслед за этим остаток

Uвх - d₃2³ h

таким же образом сравнивается с ближайшим младшим разрядом и т.д. После четырех подобных выравнивающих шагов в регистре последовательного приближения  оказывается двоичное число, из которого после цифро-аналогового преобразования получается напряжение, соответствующее Uвх с точностью до 1 ЕМР. Выходное число может быть считано с РПП в виде параллельного двоичного кода по N линиям. Кроме того, в процессе преобразования на выходе компаратора, как это видно из рис. 6.1,б, формируется выходное число в виде последовательного кода старшими разрядами вперед.

Быстродействие АЦП данного  типа определяется суммой времени установления tуст ЦАП до установившегося значения с погрешностью, не превышающей 0,5 ЕМР, времени переключения компаратора tк и задержки распространения сигнала в регистре последовательного приближения tз. Сумма tк + tз является величиной постоянной, а tуст уменьшается с уменьшением веса разряда. Следовательно, для определения младших разрядов может быть использована более высокая тактовая частота. При поразрядной вариации fтакт возможно уменьшение времени преобразования tпр на 40%. Для этого в состав АЦП может быть включен контроллер.

При работе без устройства выборки-хранения апертурное время равно времени  между началом и фактическим  окончанием преобразования, которое  так же, как и у АЦП последовательного  счета, по сути зависит от входного сигнала, т.е. является переменным. Возникающие при этом апертурные погрешности носят также нелинейный характер. Поэтому для эффективного использования АЦП последовательного приближения, между его входом и источником преобразуемого сигнала следует включать УВХ. Большинство выпускаемых в настоящее время ИМС АЦП последовательного приближения (например, 12-разрядный МАХ191, 16-разрядный AD7882 и др.), имеет встроенные устройства выборки-хранения или, чаще, устройства слежения-хранения (track-hold), управляемые сигналом запуска АЦП. Устройство слежения-хранения отличается тем, что постоянно находится в режиме выборки, переходя в режим хранения только на время преобразования сигнала.

Данный класс АЦП  занимает промежуточное положение  по быстродействию, стоимости и разрешающей способности между последовательно-параллельными и интегрирующими АЦП и находит широкое применение в системах управления, контроля и цифровой обработки сигналов.

Для организации аналого-цифрового  преобразования выберем маломощную ИМС АЦП последовательного приближения с последовательным интерфейсом фирмы Analog Devices ADS1286. Разрядность оцифровки составляет 12 бит на выборку. Частота выборки 20 кГц. Для передачи данных используется простой двухпроводной интерфейс. Выпускается в 8-выводном корпусе DIP (рис.6.2,а). На рисунке 6.2,б приведена структурная схема ИМС. Здесь CDAC – ЦАП, SAR – регистр последовательного приближения.

а)        б)

Рис. 6.2 – ИМС ADS1286 (а) и ее структура (б)

 

Назначение выводов  ИМС:

1  Vref - Вход опорного напряжения

2  +In – Неинвертирующий вход

3  -In – Инвертирующий вход. Подключается на землю.

4  GND – Общий (земля)

5  #CS/SHDN – Выбор микросхемы (активный режим) / режим ожидания

6  Dout – последовательный выход 12-битной посылки оцифрованного сигнала

7  DCLOCK – вход синхронизации данных

8  +Vcc – напряжение питания.

 

3.4. Описание  микроконтроллера

Для реализации функции  управления и обработки сигнала  выбран микроконтроллер ATmega128 фирмы Atmel.

ATmega128 – маломощный 8-разр. КМОП микроконтроллер, основанный на расширенной AVR RISC-архитектуре. За счет выполнения большинства инструкций за один машинный цикл ATmega128 достигает производительности 1 млн. операций в секунду/МГц, что позволяет проектировщикам систем оптимизировать соотношение энергопотребления и быстродействия.

Ядро AVR сочетает богатый  набор инструкций с 32 универсальными рабочими регистрами. Все 32 регистра непосредственно  подключены к арифметико-логическому  устройству (АЛУ), который позволяет  указать два различных регистра в одной инструкции и выполнить ее за один цикл. Данная архитектура обладает большей эффективностью кода за счет достижения производительности в 10 раз выше по сравнению с обычными CISC-микроконтроллерами.

ATmega128 содержит следующие  элементы: 128 кбайт внутрисистемно программируемой флэш-памяти с поддержкой чтения во время записи, 4 кбайт ЭСППЗУ, 4 кбайт статического ОЗУ, 53 линии универсального ввода-вывода, 32 универсальных рабочих регистра, счетчик реального времени (RTC), четыре гибких таймера-счетчика с режимами сравнения и ШИМ, 2 УСАПП, двухпроводной последовательный интерфейс ориентированный на передачу байт, 8-канальный 10-разр. АЦП с опциональным дифференциальным входом с программируемым коэффициентом усиления, программируемый сторожевой таймер с внутренним генератором, последовательный порт SPI, испытательный интерфейс JTAG совместимый со стандартом IEEE 1149.1, который также используется для доступа к встроенной системе отладке и для программирования, а также шесть программно выбираемых режимов уменьшения мощности. Режим холостого хода (Idle) останавливает ЦПУ, но при этом поддерживая работу статического ОЗУ, таймеров-счетчиков, SPI-порта и системы прерываний. Режим выключения (Powerdown) позволяет сохранить содержимое регистров, при остановленном генераторе и выключении встроенных функций до следующего прерывания или аппаратного сброса. В экономичном режиме (Power-save) асинхронный таймер продолжает работу, позволяя пользователю сохранить функцию счета времени в то время, когда остальная часть контроллера находится в состоянии сна. Режим снижения шумов АЦП (ADC Noise Reduction) останавливает ЦПУ и все модули ввода-вывода, кроме асинхронного таймера и АЦП для минимизации импульсных шумов в процессе преобразования АЦП. В дежурном режиме (Standby) кварцевый/резонаторный генератор продолжают работу, а остальная часть микроконтроллера находится в режиме сна. Данный режим характеризуется малой потребляемой мощностью, но при этом позволяет достичь самого быстрого возврата в рабочий режим. В расширенном дежурном режиме (Extended Standby) основной генератор и асинхронный таймер продолжают работать.