Система накопления данных

 

 

Содержание.

 

Введение

В настоящее время  жизнь современного человека уже  трудно представить  без электронных  устройств. Они используются во всех сферах жизни и деятельности людей. В современной технике все  чаще используются встраиваемые компьютерные системы, основанные на микропроцессорах и однокристальных микроконтроллерах.

Микропроцессорная система  – это функционально законченное  изделие, состоящее из одного или  нескольких устройств.

Микроконтроллер помимо центрального процессора содержит память и многочисленные устройства ввода/вывода: последовательные и параллельные каналы передачи информации, аналого-цифровые преобразователи, таймеры реального времени и т.д.

Микроконтроллеры в  основном применяются в системах автоматического управления, встраиваемые в различные устройства: сотовые телефоны, фотоаппараты, телевизоры, стиральные машины, микроволновые печи и т.д.

На сегодняшний день производители микропроцессоров все  больше и больше сближают их с однокристальными микроконтроллерами, сочетая в одном  кристалле вычислительную мощь и возможность реализации функций контроля и управления.

Использование микроконтроллеров  в оборудовании позволяет повысить производительность, качество работы, помогает снизить затраты некоторых  ресурсов. Даёт возможность решать сложные проблемы программного регулирования, существенно улучшает технические и экономические характеристики автоматизированного оборудования.

 

 

 

 

 

 

1 Обзор литературы.

Большинство современных  устройств в своем составе  имеют хотя бы один микроконтроллер.

Информационно – измерительные и управляющие цифровые и микропроцессорные системы предназначены для измерения, сбора, обработки, хранения и отображения информации с реальных объектов, а также для управления ими.

Очень полно о современных  системах сбора данных описывает  в своей книге А.Ю. Кузьминов «Интерфейс RS-232. Связь между компьютером и микроконтроллером». Автор этой книги разделяет современные системы сбора данных на два основных класса.

К первому можно отнести  так называемые компьютерные системы  сбора, когда микроконтроллер расположен в специальном устройстве сопряжения с объектом (УСО), имеющем отдельный корпус, как правило, со своим блоком питания, подключаемым к сети (220В). К этому устройству подведены кабели от датчиков, с которых снимается информация. УСО сопрягается с компьютером по интерфейсу RS-232, по которому в компьютер передаётся измерительная информация. Управление УСО осуществляется также компьютером по тому же интерфейсу, т.е. микроконтроллер получает команды от компьютера, выполняет их, и результат выполнения посылает в компьютер. Последний получает предварительно обработанную (как правило, только оцифрованную) микроконтроллером информацию, окончательно её обрабатывает и выводит результаты этой обработки на экран монитора и/или принтер. Иногда УСО может находиться на значительном удалении от компьютера (до десятков метров и более); такие системы часто называют удаленными.

Отличительные черты  компьютерных систем сбора следующие:

• Обмен информацией микроконтроллера с компьютером идет постоянно, кроме того, в некоторых случаях основная программа работы  микроконтроллера может передаваться в него из компьютера; в этих условиях от интерфейса потребуется повышенные надежность и скорость обмена (115200 бод); в связи с этим обязательным является возможность программирования микроконтроллера по RS-232.
• «Интеллектуальная» нагрузка на микроконтроллер достаточно низкая; микроконтроллер ничего не считает, ввод/вывод информации осуществляется только по интерфейсу, поэтому программа для микроконтроллера примитивна, как правило, написана на ассемблере и в очень редких случаях её объем превышает 2кбайта; основную «интеллектуальную» нагрузку несет программа, написанная для компьютера.
• Повышены требования к точности измерений; особенно это касается точности временных характеристик: погрешности таких временных характеристик, как общее время измерений (Т), интервал времени измерений (∆Т) и т.п., как правило, не должны превышать 1мс, а в некоторых случаях (если, например, такая система используется в различного рода поверочных установках, да еще связанных с приборами коммерческого учета) должна быть на порядок выше.
• Повышены требования к АЦП: многоканальность (не менее восьми), повышенная точность, дискретность измерений должна быть не менее 16 разрядов; АЦП должен иметь самокалибровку; перед АЦП обязательно должен располагаться низкочастотный фильтр, частота среза которого равна частоте Найквиста – Котельникова (в два раза ниже частоты дискретизации АЦП), кроме того, желательно, чтобы фильтр был еще и заграждающим, т.е. имеющим полюс (0). При этом затухание должно быть не менее |-100| дБ на частоте питающей сети (50Гц).
• Системы, как правило, многоканальные и достаточно универсальные, т.е. имеют несколько(восемь и более) аналоговых, частотных и/или дискретных каналов.
• Имеют свой блок питания, подключаемый к сети, потребление энергии такими системами  не имеет особого значения; как правило, микроконтроллер работает при напряжении питания 5 В.
• Выпускаются, как правило, в небольших количествах, причем, львиная доля стоимости системы приходится на программное обеспечение, написанное для компьютера, поэтому стоимость аппаратных средств (а тем более – стоимость микроконтроллера) особого значения не имеют.

Ко второму классу можно отнести так называемые автономные системы сбора, представляющие собой по существу приборы, правда, достаточно «интеллектуальные». Здесь микроконтроллер выступает в качестве основы, как аппаратных, так и программных средств. Автономные системы сбора представляют собой устройства, оснащенные не только средствами измерений (датчиками измерительной информации), сбора и обработки измерительной информации, но и средствами индикации результатов измерений (в простейших системах это может быть, например, цифровой семисегментный индикатор с несколькими цифрами, в более сложных –одно , либо двустрочный алфавитно – цифровой или матричный графический дисплей; иногда автономная система оснащается даже примитивным печатающим устройством, например – кассовый аппарат), а также средствами ручного ввода информации (например, кнопочной мембранной клавиатурой) или хотя бы примитивного ручного управления.

Автономные системы  конструируются в отдельном корпусе  и оснащаются своим блоком питания (во многих случаях батарейным). Часто автономные системы содержат в своем составе интерфейс сопряжения с компьютером (например, RS-232). Иногда этот интерфейс выполнен только опционально, реже он все –таки используется, но основные его задачи – плановый съём архивной информации, тестирование системы, начальное занесение в систему необходимых коэффициентов и/или режимов работы и т.п. При штатном режиме работы автономной системы интерфейс, как правило, не используется.

Отличительные черты  автономных систем сбора следующие:

• Обмен информацией с компьютером по интерфейсу (если он вообще существует) происходит время от времени  и достаточно редко; от интерфейса не требуется высокое быстродействие (115200 бод); если автономная система сбора все-таки оборудована интерфейсом RS-232 для обмена информацией с компьютером, то желательна возможность программирования по RS-232.
• «Интеллектуальная нагрузка» на микроконтроллер достаточно высокая; в связи с этим программа для микроконтроллера сложная, как правило, написана на языке Си и, хотя даже современные компиляторы Си (например, С-Keil, V.6.12-6.20) для микроконтроллера и обладают массой оптимизационных свойств (в том числе – оптимизацией объема памяти), эта программа занимает десятки килобайт программной памяти и/или памяти данных; кроме того, повышены требования и к объему ОЗУ.
• Повышенная точность измерения временных характеристик, как правило, не требуется, зато необходим из большой временной диапазон: секунды, минуты, часы, сутки, месяцы и даже годы; это нужно для возможного архивирования результатов измерений, так как автономная система (оснащена, например, батарейным блоком питания с литиевыми элементами) может работать несколько лет.
• Повышены требования к АЦП: многоканальность (не менее восьми), повышенная точность, дискретность измерений должна быть не менее 16 разрядов; АЦП должен иметь самокалибровку; перед АЦП обязательно должен располагаться низкочастотный фильтр, частота среза которого равна частоте Найквиста – Котельникова (в два раза ниже частоты дискретизации АЦП), кроме того, желательно, чтобы фильтр был еще и заграждающим, т.е. имеющим полюс (0). При этом затухание должно быть не менее |-100| дБ на частоте питающей сети (50Гц).
• Не содержат большого числа однотипных измерительных каналов (как правило, число однотипных каналов не превышает трех – четырех), но число различного рода устройств, входящих в состав микроконтроллера, может быть большим (АЦП, ЦАП, таймеры/счетчики, часы, источники опорного напряжения и/или тока и т.п.), т.е. от микроконтроллера требуется повышенная универсальность.
• Во многих случаях работают от батарейного блока питания, поэтому от микроконтроллера требуется пониженное энергопотребление; в связи с этим такие системы, как правило, работают от напряжения 3 В (литиевые батарейки).
• Выпускаются в достаточно больших количествах, поэтому стоимости аппаратных средств (в том числе, стоимость микроконтроллера) играет важную роль, а вот стоимость программного обеспечения, которая иногда даже превышает стоимость программного обеспечения компьютерных систем (программа для микроконтроллера + программа для компьютера), существенного значения не имеет, так как распределяется на большое число устройств.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2 Анализ технического задания.

Согласно ТЗ на курсовой проект необходимо разработать систему сбора данных с использованием стендов SDK 1.1 и SDX 0.9.

Исходные данные:

- число каналов 8;

- источник входного сигнала – генератор звуковых частот;

- диапазон частот входного сигнала (20-20000)Гц;

- оцифрованные данные должны  сохраняться на ЖМД ПК;

  - интерфейс связи с ПК – RS-232.

Записываемая на ЖМД информация должна включать:

- 12-разрядные оцифрованные данные;

- номер канала;

- время начала оцифровки данных.

По заданию на КП необходимо разработать систему сбора данных  с последующей их оцифровкой и записью на жесткий магнитный диск. Система включает программную и аппаратную части. Аппаратная часть реализована на базе двух стендов и описана ниже.

Рассмотрим  аппаратную часть  микропроцессорного стенда SDK-1.1.

          В своей основе стенд имеет  микроконтроллер ADuC812BS. Процессор ADuC812 является клоном Intel 8051 со встроенной периферией. 

Основные характеристики микропроцессора: 

– рабочая частота 11,0592 МГц;

– 8-канальный 12-битный АЦП со скоростью выборок 200 K/c (в режиме ПДП);

– два 12-битных ЦАП (код-напряжение);

– внутренний температурный сенсор;

– 640 байт программируемого E²PROM со страничной организацией (256

страниц по 4 байта);

– 256 байт внутренней памяти данных (участок регистров общего назначения, битовый сегмент, свободный участок, участок регистров специального назначения);

– адресное пространство 16 Мб;

– память программ 8Кб

– внешнее ОЗУ 512 Кб;

– режим управления питанием;

– асинхронный последовательный ввод-вывод;

– интерфейс I2C;

– три 16-битных таймера/счетчика и таймер WatchDog.

Внешняя E2PROM. E2PROM - перепрограммируемое электрически стираемое постоянное запоминающее устройство. Объем памяти E2PROM, установленной в стенде SDK-1.1, составляет 128 байт  (возможна установка E2PROM большего объема, до 32 Кб). Микросхема E2PROM взаимодействует с процессором посредством интерфейса I2С. В таблице 1.2 дана адресация микросхем E2PROM.

Основные характеристики E2PROM:

– возможность перезаписи до 1 млн. раз;

– возможность побайтной и постраничной записи (в текущей конфигурации

размер страницы составляет 8 байт).

Таблица 1 – Адресация  микросхем E2PROM

Бит	Значение	Описание
0х7	RW	переключатель
0х6	А0	Адреса устройств расширения
0х5	А1
0х4	А2
0х3	0	Обязательная последовательность для всех устройств E2PROM
0х2	1
0х1	0
0х0	1

 

Адресное пространство процессора разделяется на два, не отображаемых друг на друга участка - внешнюю память и внутреннюю. На рисунке 1 показана схема распределения памяти в SDK-1.1. На представленной схеме внутренняя память расположена в левой части, а внешняя – в правой части.

 

 

Рисунок 1. Схема распределения памяти SDK-1.1

Внутренняя память. Микропроцессор ADuC812BS,являясь аналогом процессора Intel 8051, унаследовал типичную для процессоров этого семейства структуру организации внутренней памяти. Внутренняя память (256 байт) разделена на 4 участка: 

– участок регистров общего назначения;

– битовый сегмент;

– свободный участок;

– участок регистров специального назначения. 

В таблице 2 содержится информация о распределении внутренней памяти в SDK-1.1.

Стандартная для архитектуры 8051 структура внутренней памяти представлена четырьмя банками по восемь регистров общего назначения (диапазоны  адресов 00h-07h, 08h-0Fh, 10h-17h, 18h-lFh), битовым сегментом (20h-2Fh), свободным участком 30h-7Fh, областью размещения SFR (регистров специального назначения) 80h-FFh, доступной при прямой адресации, и свободной областью 80h-FFh, доступной при косвенной адресации. 

Таблица 2. Распределение внутренней памяти

	Регистры общего назначения				Битовый сегмент	Свободный участок	Рег. Спец. наз
	1	2	3	4
Адрес	00-07	08-0F	10-17	18-1h	20-2F	30-7F	80-FF