Устройство сбора и хранения информации

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ  И НАУКИ РФ

Марийский государственный  технический университет

 

Каф ПиПЭВС

 

 

 

 

УСТРОЙСТВО СБОРА И  ХРАНЕНИЯ ИНФОРМАЦИИ

КНФУ.ХХХХХХ.001 ПЗ

Пояснительная записка

к курсовой работе по дисциплине

Схемотехника ЭС

 

 

 

 

Выполнил ст. гр. зЭВС-32у

_________      С.Ю.Сударев

Номер зачетки 1090723234

Проверил к.т.н., профессор

_________ Б.Ф.Лаврентьев

 

 

 

 

 

 

Йошкар-Ола

2012

Аннотация

В данной курсовой работе разработаны блок-схема, схема электрическая принципиальная и временная диаграмма работы информационно-измерительной системы, предназначенной для сбора и хранения данных, полученных с датчиков, в удобной цифровой форме. Схема включает блок управления, многоканальное АЦП, буферное запоминающее устройство, блок дополнительной индикации и блок питания.

Пояснительная записка изложена на 24 листах, содержит 6 рисунков, 1 таблицу, 3 приложения на 4 листах, список литературы из 5 наименований.

 

Содержание

Введение

1 Анализ технического задания

1.1 Выбор структурной схемы устройства

1.2 Выбор элементной базы

1.2.1 Многоканальное АЦП

1.2.2 Буферное запоминающее  устройство

1.2.3 Блок управления

1.2.4 Блок дополнительной индикации

1.2.5 Блок питания 

2 Разработка схемы электрической принципиальной устройства

2.1 Разработка многоканального  аналого-цифрового преобразователя

2.2 Разработка буферного  запоминающего устройства

2.3 Разработка блока управления

2.4 Разработка блока дополнительной индикации

2.5 Разработка блока питания 

2.6 Описание работы устройства сбора и хранения информации

Заключение

Перечень сокращений, условных обозначений, символов, единиц и терминов

Список использованной литературы

Приложения

 

 1 Анализ технического  задания

1. Выбор структурной схемы устройства

Проектируемая информационно-измерительная  система (ИИС) имеет пятнадцать измерительных каналов. Каждый измерительный канал содержит датчик, предназначенный для преобразования измеряемого параметра в напряжение, изменяющееся в пределах от 0 до 100 мВ. Полученное от датчиков напряжение необходимо преобразовать, записать и по запросу ЭВМ выдать информацию для обработки. Измерения должны проводиться с периодичностью в 5 часов. Также должна быть предусмотрена дополнительная индикация текущего времени

Таким образом, общая структурная схема заданного устройства имеет вид, указанный на рисунке 1.

 

 

 

 

 

 

 

Рисунок 1 – Структурная  схема ИИС

 

Исходя из выбранной структурной  схемы, необходимо спроектировать и рассчитать 5 блоков: многоканальный аналого-цифровой преобразователь (МАЦП), буферное запоминающее устройство (БЗУ), блок управления, блок дополнительной индикации и блок питания.

 

 

 

ИИС проектируется на основе уже существующего варианта исполнения подобных устройств [1]. Развернутая структурная схема ИИС представлена на рисунке 2.

Рисунок 2 – Развернутая структурная схема ИИС

Рассмотрим основное назначение блоков.

Многоканальный АЦП предназначен для преобразования аналоговых данных, поступающих с пятнадцати измерительных каналов, в цифровой 7-разрядный код. Аналоговые ключи (мультиплексор) необходимы для последовательной коммутации сигналов, поступающих с датчиков. Операционный усилитель усиливает входные сигналы, поступающие на АЦП. АЦП преобразует сигналы в 7-разрядный цифровой код. Далее формирователь контрольного разряда добавляет контрольный разряд, и данные передаются в БЗУ для записи, хранения и последующей выдачи.

БЗУ предназначено для  записи, хранения и выдачи полученного от многоканального АЦП цифрового кода по запросу, поступающему с ЭВМ. Счетчик адреса необходим для последовательного перебора адресов ячеек памяти, а также для формирования сигнала «Конец цикла измерений».

Блок управления предназначен для формирования сигналов, управляющих работой ИИС. Блок управления каждые пять часов формирует сигнал «Начало цикла», устанавливающий в «0» схему управления ключами многоканального АЦП и счетчик адреса БЗУ. Также в блоке управления формируются сигналы «Запись/чтение», «частота АЦП» и «выдача информации в ЭВМ».

Блок дополнительной индикации  предназначен для индикации текущего времени.

Блок питания предназначен для подачи стабилизированных напряжений на операционные усилители АЦП и интегральные схемы (ИС).

 

2. Выбор элементной базы

В качестве элементной базы используются микросхемы КМОП логики, т.к. они обладают низким энергопотреблением в статическом режиме и работают в широких диапазонах питающих напряжений. Также эти микросхемы обладают высокой помехоустойчивостью.

1.2.1 Многоканальный АЦП

Многоканальный АЦП содержит аналоговые ключи, прецизионные усилители, формирователь контрольного разряда, схему управления ключами (счетчик каналов).

В качестве аналоговых ключей используем два мультиплексора К561КП2. В качестве прецизионных усилителей выбраны операционные усилители (ОУ) К140УД17, в обратную связь которых ставятся прецизионные резисторы типа С2-29. В соответствии с ТЗ выбран аналого-цифровой преобразователь К1113ПВ1, у которого преобразуемое напряжение лежит в пределах от 0 В до 10 В или от -5 В до +5 В. В качестве формирователя контрольного разряда используем микросхему К561СА1. В схеме управления ключами используем счетчик (К561ИЕ1) и микросхемы логики серии К561.

1.2.2 Буферное запоминающее устройство

В качестве элемента памяти в БЗУ используется ИС КР537РУ17, т.к. она обеспечивает хранение 8192-ух 8-разрядных чисел. Для управления выбором адреса БЗУ используется счетчики К561ИЕ1. Для триггеров используем ИС К561ТМ2. В качестве элементов логики используем ИС серии К561.

1.2.3 Блок управления.

В качестве генератора импульсов выбираем ИС К176ИЕ12 с кварцевым резонатором на 32768 Гц. В качестве делителей используем ИС К176ИЕ12 (для получения разряда «часов») и К561ИЕ1 (для получения f_АЦП). Сигналы «Запись/чтение» и «Начало цикла» формируют триггер (ИС К561ТМ2). Для формирования сигнала «запуск АЦП» (f_АЦП) используем одновибратор на триггере К561ТМ2. В качестве элементов логики используем ИС серии К561.

1.2.4 Блок дополнительной  индикации

В качестве генератора импульсов  используем ИС К176ИЕ12 с кварцевым  резонатором на 32768 Гц из блока управления. Для перевода текущего времени в семисегментный код используем дешифраторы К176ИЕ3, К176ИЕ4. Для индикации текущего времени используем семисегментные индикаторы АЛС314А.

1.2.5 Блок питания

Исходя из серий микросхем, предполагаемых к применению в схеме ИИС, необходимо обеспечить следующие напряжения: двуполярное напряжение ±15В, +5В, –15В. Для этого используем стабилизаторы напряжения КР142ЕН5А и КР142ЕН6.

 

2 Разработка схемы электрической принципиальной устройства

2.1 Расчет многоканального  АЦП

В соответствии с ТЗ напряжение на выходе первичных преобразователей (Uвх АЦП) изменяется в пределах от 0 до 100 мВ, количество измерительных каналов m=15, время опроса каждого датчика Топр=100 мс.

Подсчитаем коэффициент усиления измерительного тракта К.

Пусть Uвых - максимальное выходное напряжение АЦП, а Uвх - максимальное входное напряжение АЦП. Т.к. Uвых.мах=10В для однополярного сигнала и ±5В для двуполярного сигнала; а Uвх.мах=100мВ=0,1В , тогда

.

.

Примем К₁=К₂=10.

По характеристикам датчиков примем входное сопротивление усилителя Rвх=10кОм. Тогда R5=10 кОм, R5=R6=10 кОм, R7>>R5 => R7≈100 кОм, R8=К1*R5=10*10=100 кОм.

Для второго каскада усилителя  также примем R9=R10=10 кОм. Тогда R11=K2*R9=10*10=100 кОм. Для возможности подстройки усиления возьмем R11=110 кОм.

Величину резистора на выходе DА4 примем 2кОм (для К140УД17А). В качестве этого резистора выбираем построечный резистор R12 и постоянный резистор R13. Обычно R12=0,1*R13, R13=2кОм, следовательно, R12=200 Ом.

В качестве R12 применяется построечный резистор, который обеспечивает изменение коэффициента усиления К усилительного каскада примерно на ±5%.

Подсчитаем частоту опроса АЦП:

,

где m - количество измерительных каналов;

      Топр -  время опроса каждого канала (период опроса).

Сигнал опроса представляет собой  импульс прямоугольной формы  низкого уровня длительностью Тацп > Тобр к БЗУ, где Тобр к БЗУ- время обращения к БЗУ, рассчитывается после расчета БЗУ.

Для получения контрольного разряда  к выходу АЦП подключается ИС К561СА1(DD18). Дифференцирующая цепочка С4R15 и ИС DD17.1 формируют сигнал «Конец преобразования». Время преобразования для ИС К1113 составляет 30мкс.

Временная диаграмма работы АЦП  представлена на рисунке 3:

Т1 – длительность сигнала запуска  АЦП;

Т2 – длительность сигнала «Конец преобразования»;

Т_{преобр.АЦП} – время работы АЦП

Рисунок 3 – Временная диаграмма  работы АЦП

 

2.2 Расчет буферного запоминающего  устройства

В соответствии с ТЗ разрядность кода с учетом контрольного разряда n=8 (шина данных), время сбора информации Тсбора=20с.

Тогда при частоте опроса f=150Гц количество ячеек памяти (количество измерений) N=fацп*Тсбора=150*20=3000.

Для работы БЗУ необходимо сформировать адрес А, сигнал выборки , сигнал операции .

Реализовать хранение 3000 8-разрядных  чисел можно с помощью нескольких вариантов. Поэтому важно выбрать  оптимальный по стоимости и количеству микросхем вариант. Рассмотрим 3 варианта реализации:

Название ИС	Структура ИС	Количество используемых ИС	Стоимость
К537РУ3А	4096 х 1	8	120 р.
К537РУ9	2048 х 8	2	80 р.
К537РУ17	8192 х 8	1	65 р.

 

Из таблицы видим, что наиболее оптимальным по стоимости и количеству используемых микросхем является вариант  реализации хранения информации на ИС К537РУ17.

В БЗУ используется совместно две  микросхемы К561ИЕ1 для формирования адреса 3000 ячеек памяти. Счетчик адреса на 3000 чисел включает ИС DD21, DD22, DD20.2. Выход DD23.2 подсоединен к входам R счетчиков и при появлении двоичного кода соответствующего 3000 (101110111000) происходит сброс счетчиков формирования адреса в «0».

Схема управления БЗУ включает в  себя триггеры DD16.2 и DD26 (ИС К561ТМ2) и распределитель импульсов DD24 (К561ИЕ8). Микросхемы DD21, DD22 формируют адрес БЗУ. В исходном состоянии триггер DD16.2 находится в состоянии «0» и счетчик распределитель DD24 установлен в «0». В момент прихода с АЦП сигнала «Конец преобразования» триггер DD16.2 устанавливается в состояние «1» и счетчик DD24 начинает считать тактовые импульсы fти (32 кГц). На выходе формируется последовательность тактовых импульсов (0-9), которая формирует управляющие сигналы: , строб и увеличение адреса БЗУ. Последний импульс последовательности устанавливает триггер DD16.2 в исходное состояние (на входе R DD24 - «1»).

Цикл обращения к БЗУ в  ходе одного измерения составляет максимум 10 периодов частоты fти, то есть время  записи в БЗУ (Тбзу) равно 

Тобр  к БЗУ =10/fти.

Так как мы выбрали кварцевый  резонатор на f=32768 Гц, то для простоты примем fти=32768Гц, тогда Тобр к БЗУ = 10/fти=305 мкс.

Согласно ТЗ время обращения  к БЗУ должно быть не более 100 мкс. Для увеличения быстродействия БЗУ  можно увеличить тактовую частоту  импульсов или уменьшить коэффициент  пересчета счетчика DD23. Уменьшим коэффициент пересчета до 3. Тогда Тобр к БЗУ = 3/fти=92 мкс

Подсчитаем длительность импульса запуска АЦП Тацп:

Тацп > Тпреобр.ацп+ Тобр к БЗУ =30+92= 122 мкс для fти=32768 Гц.

Примем Тацп =4 мс.

Для формирования Тацп используем одновибратор на триггере DD15.1.

Информационные выходы БЗУ и  импульс «Строб» поступают на ЭВМ.

Временная диаграмма работы БЗУ  приведена на рисунке 4.

Рисунок 4 – Временная  диаграмма работы БЗУ

 

2.3 Расчет блока управления

В качестве генератора импульсов использована ИС К561ИЕ12 (DD8), для формирования длительности цикла измерений (5 часов) используются счетчики К176ИЕ12 (DD10) и К176ИЕ1 (DD14); триггер DD15.2 (К561ТМ2) формирует сигналы запись-чтение «W/R» и сигнал запуска одновибратора на тиггере DD15.1. Одновибратор формирует сигнал запуска АЦП. Длительность импульса запуска АЦП определяется по формуле Тацп=0,69*R14*C3. Так как ранее мы приняли, что Тацп=4 мс, тогда: R14*C3=Тацп/0,69=5.8*10^-3. Примем С3=1 мкФ, тогда R14=6.2 кОм. Тогда Тацп=0,69*6.2*10³*10^-6 = 4.3 мс.