мпсу / Лекции pdf / Лекции модуль 4 МПСУ

подключили к компьютеру, какой драйвер и ресурсы понадобятся устройству, после чего все это выделяет без вмешательства пользователя. Для адекватной работы шины необходима операционная система, которая корректно с ней работает. В данном случае такой ОС является Windows 95 и выше. К шине USB можно одновременно подключить до 127 устройств, практически любых: мониторы, принтеры, сканеры, клавиатуры и т.д. Каждое устройство, подключенное на первом уровне, может работать в качестве коммутатора – то есть к нему, при наличии соответствующих разъемов, могут подключаться еще несколько устройств. Обмен по интерфейсу – пакетный, скорость обмена – 12 Мбит/с. В 2001 году появилась следующая спецификация интерфейса USB 2.0 (начальный стандарт теперь называется USB 1.1), обеспечивающая пропускную способность 480 Мбит/с. Поддерживается также дополнительный подканал со скоростью обмена данными в 1,5 Мбит/с для медленных устройств (клавиатуры, мыши, модема). Шина USB реализует как синхронный (нужный, например, при проведении телеконференций), так и асинхронный режимы передачи данных. Компания Microtune анонсировала шину Cablefree USB – интерфейсы USB 1.1 и 2.0 с Bluetooth-адаптером, позволяющую подключать устройства по оптическому каналу на расстоянии до 30 метров (технология Bluetooth обеспечивает связь даже при отсутствии прямой видимости).

IEEE 1394 (Institute of Electrical and Electronic Engineers 1394 – стандарт Института инженеров по электротехнике и электронике 1394) – новый и перспективный последовательный интерфейс, предназначенный для подключения внутренних компонентов компьютера и внешних устройств. IEEE 1394 известен также под именем FireWire – «огненный провод» (хотя это название – собственность Apple и на компьютерах других производителей не применяется, как и цифровой интерфейс iLink компании Sony, также объединенный в стандарте IEEE 1394). Цифровой последовательный интерфейс FireWire характеризуется высокой надежностью и качеством передачи данных, его протокол поддерживает гарантированную передачу критичной по времени информации, обеспечивая прохождение видео- и аудиосигналов в реальном масштабе времени без заметных искажений. При помощи шины FireWire можно подсоединить друг к другу огромное количество различных устройств по технологии Plug and Play и практически в любой конфигурации, чем она выгодно отличается от названных ранее трудно конфигурируемых шин типа SCSI. К одному контроллеру возможно подключение до 63 устройств на один порт с помощью единого шестижильного кабеля. Пропускная способность интерфейса составляет 100-400 Мбит/с, а в будущем ожидается даже 1600 Мбит/с. Этот интерфейс будет использоваться для подключения жестких дисков, дисководов CD-ROM и DVD-ROM, а также высокоскоростных внешних устройств, таких как цифровые видеокамеры, видеомагнитофоны и т.д.

Стандарт интерфейса PCMCIA (Personal Computer Memory Card International

Association) или PC-card был предложен в 1990 году для портативных компьютеров (notebook) и используется для подключения к ним различных внешних устройств: модулей памяти (в том числе флэш-памяти), модемов и факс-модемов, сетевых контроллеров, дополнительных накопителей и т.д. PC-card-адаптеры отличаются очень малыми габаритами (с обычную кредитную карточку) и довольно высокой, по сравнению с другими аналогичными устройствами, стоимостью. Сейчас уже

выпускаются PC-card-адаптеры для обычных (настольных) компьютеров. Если первая версия PС-card была предназначена только для модулей памяти, то вторая (1991 год) позволяла включать устройства ввода/вывода и поддерживала два напряжения питания (5 В и 3,3 В). Последние разработки поддерживают режим PnP. Для подключения PCMCIA-карт используется 68-контактный разъем. Разрядность передаваемых данных — 16, количество разрядов адреса — 26, что позволяет адресовать до 64 Мбайт памяти. Тактовая частота шины - до 33 МГц. Стандарт определяет три различных длины контактов разъема для обеспечения правильной последовательности подачи напряжения питания при подключении и отключении карты во время работы компьютера. Компьютер имеет обычно 2—3 слота (разъема) для PC-card. Стандарт предусматривает автоматическое распределение ресурсов компьютера для устройств PC-card (режим PnP).

Последовательный интерфейс USB (Universal Serial Bus) специально разрабатывался для простого подключения периферийных устройств. Шина USB представляет собой 4-проводную линию связи с пропускной способностью 1,5 Мбайт/с (12 Мбит/с). К ней можно подключать до 127 устройств по древовидной схеме с использованием одного или нескольких распределительных устройств. Длина соединительного кабеля между отдельными устройствами USB может достигать 5 метров. В шине USB реализована поддержка режима PnP и возможность «горячего» подключения (без выключения питания). В данном стандарте уже выпускаются модемы, клавиатуры, мыши, сканеры, цифровые фотокамеры и т.д. Важно, что в шине предусмотрена подача на подключаемые устройства питающего напряжения (в последовательном интерфейсе RS-232C, например, этого нет).

ACPI (Advanced Configuration Power Interface – расширенный интерфейс конфигурирования и питания) – интерфейс, представляющий собой единую систему управления питанием для всех компонентов компьютера. Поддерживается новейшими модификациями BIOS материнских плат.

В конце 2000 года группа компаний Working Group (Intel, IBM, Maxtor, Quantum, Seagate и др.) анонсировала новый чрезвычайно эффективный последовательный интерфейс SERIAL ATA, обеспечивающий пропускную способность 1500 Мбит/с по 8-жильному кабелю (вместо 80-жильного, используемого параллельным ATА). В последующих версиях предполагается увеличение скорости обмена данными до 3000-6000 Мбит/с.

Появилась информация и о начале работ над интерфейсом Serial Attached SCSI

(SAS).

Начало этого тысячелетия вообще знаменуется кардинальным обновлением интерфейсов ПК. Фирма Intel и ее сподвижники почти все порты (COM, LPT, PS/2) и параллельные интерфейсы (ISA, PCI, IDE-AT А) меняют на скоростные последовательные. Уже появились системные платы, использующие только интерфейсы USB, не за горами время, когда мы сможем встретить только интерфейсы Serial ATA.

Лекция №23. УСТРОЙСТВА СОПРЯЖЕНИЯ С ОБЪЕКТОМ МПСУ

Рассмотренные ранее структурные схемы МПСУ содержат в своем составе датчики (первичные преобразователи), барьеры искровой защиты, нормирующие преобразователи, преобразователи непрерывного сигнала в цифровой код и преобразователи кода в аналоговый сигнал. Данные преобразователи (часто сами являющиеся микропроцессорными) входят в состав устройств сопряжения МПСУ с объектом управления (УСО), так как предназначены для согласования объекта со средством обработки и представления информации и технически оформляются как модули ввода и вывода аналоговой или дискретной информации.

Барьеры искровой защиты

Барьеры искрозащиты применяются для сопряжения электрооборудования, расположенного во взрывоопасной зоне, с электрооборудованием, установленным во взрывобезопасной зоне, и служат в качестве разделительных элементов между искробезопасными и искроопасными цепями. Искрозащита достигается использованием электрических цепей, исключающих появление напряжений или токов, при которых возможен искровой разряд, например, включая нелинейный элемент - стабилитрон.

Разновидностью таких устройств являются барьеры для защиты

электрооборудования, подключенного к измерительным и управляющим цепям, от бросков тока, наведенных в результате разрядов молний. Защитные устройства

могут быть установлены в диспетчерской или непосредственно в месте размещения оборудования. Обеспечивается защита от всплесков напряжения между каждым сигнальным проводом и корпусом устройства (несимметричное напряжение) и между проводниками (симметричное напряжение).

Также имеются барьеры искробезопасности с гальваническим разделением цепей.

Нормирующие преобразователи

Основными функциями нормирующих преобразователей (НП) или нормализаторов являются приведение границ параметров первичного сигнала датчика к одному из стандартных диапазонов, принятому для входного сигнала измерительного средства (аналого-цифровой преобразователь и т.д.), и согласование стандартного диапазона выходного сигнала управляющего элемента с видом (ток/напряжение) и диапазоном входного сигнала исполнительного устройства. Дополнительными функциями устройств нормализации, как правило, являются предварительная фильтрация первичных сигналов, а также обеспечение надежной гальванической развязки между первичными измерительными или исполнительными цепями и соответствующими цепями контроля или управления более высокого уровня.

Современные интеллектуальные датчики – это высокоинтегрированные устройства, в которых объединены функции приёма, фильтрации, нормализации, хранения, преобразования в цифровую форму, вычислительной обработки и передачи по одному из множества используемых в промышленности последовательных интерфейсов величины физического параметра (температуры, давления, уровня жидкости, давления, концентрации и т.д.). Кроме того, эти устройства могут проводить периодическую автокалибровку с внесением соответствующих поправок во флэш-память и корректировать дальнейшие результаты измерений с учетом возможной погрешности. Учитывая возросшие возможности современных датчиков, может показаться, что такие устройства, как

нормализаторы, исчерпали себя. Тем не менее, практика показывает, что данные устройства пользуются широким спросом. Причин здесь несколько.

1.Существует много производств, до сих пор использующих огромный парк первичных датчиков, термопары, терморезисторы и т.д., выходные сигналы которых не унифицированы и нуждаются в согласовании перед использованием в системе управления. При модернизации таких производств с целью повышения метрологических характеристик системы управления, экономически оправданной, оказывается замена именно элементов нормализации, так как всеобщая замена первичных датчиков на датчики интегральные ведёт к существенным издержкам, связанным с дорогостоящими монтажными работами (сложный демонтаж, несовпадение габаритов старого и нового оборудования, необходимость прокладки новых коммуникационных каналов, соответствующих современным спецификациям промышленных интерфейсов и т.д.).

2.Применение нормирующих преобразователей позволяет упростить построение систем с дублированием каналов обработки сигналов от одного первичного датчика (параллельное подключение потребителя).

3.Являясь одноканальными, элементы нормализации при построении управляющих систем позволяют реализовать принцип модульности аппаратуры, минимизируя информационные (и финансовые) потери в системе при выходе нормализатора из строя.

4.Внешний элемент нормализации, выполненный на основе специализированной микросхемы по сравнению с платой изолированного ввода- вывода, устанавливаемой в слот компьютера, обеспечивает более качественную гальваническую развязку и более эффективно устраняет возможное влияние

сильноточных или высоковольтных входных сигналов на аппаратуру системы.

Характеристики нормирующих преобразователей. Нормирующие преобразователи строятся на основе операционных усилителей (ОУ), потому их характеристики однородны свойствам ОУ.

Полоса пропускания (Bandwidth) – это диапазон частот, для которого величина передаточной функции составляет не меньше 70,7% от своего максимального значения.

Время отклика (Response Time) – время, необходимое измерительной системе (прибору), чтобы изменение входного измеряемого сигнала достигло на выходе 90% от своего входного значения.

Нелинейность (Nonlinearity). Линейность системы предполагает, что выходной сигнал прямо пропорционален входному сигналу (чувствительность системы не зависит от значения измеряемой величины), то есть график зависимости выходной величины от входной измеряемой величины представляет собой прямую линию с определённым углом наклона. В реальных устройствах отмечаются отклонения этой зависимости от идеальной линейной характеристики. Разность между реальным значением величины и теоретическим значением, полученным при предположении, что система измерения линейна, определяет такую характеристику, как нелинейность систем.

Подавление помехи нормального вида (NMR – Normal-Mode Rejection). На входе инструментального усилителя на постоянную составляющую сигнала датчика накладывается переменная составляющая помехи. Величина, характеризующая степень уменьшения влияния переменного сигнала помехи нормального вида на

значение выходного сигнала и приводимая в децибелах для конкретного значения частоты (например, для частоты силовой цепи питания 50 или 60 Гц), называется подавлением помехи нормального вида.

Подавление помехи общего вида (CMR – Common-Mode Rejection) – выраженная в децибелах величина отношения коэффициента передачи дифференциального сигнала к коэффициенту передачи синфазного сигнала

На рис. 6.1. показаны основные способы усиления сигналов датчиков с помощью операционных усилителей. В инвертирующей схеме (а) выходное

напряжение Uвых противоположно входному Uвх по знаку и зависит от соотношения сопротивлений R1, R2. В неинвертирующей схеме (б) выходное напряжение имеет знак входного. В дифференциальной схеме (в) выходное напряжение пропорционально разности напряжений на входах операционного усилителя.

Рис. 6.1. Схемы применения операционных усилителей для нормализации сигналов датчиков: а - инвертирующая; б- неинвертирующая;

в- дифференциальная схемы

Гальваническое разделение цепей

Гальваническое разделение цепей (гальваническая развязка) преследует цель защиты входных цепей УСО от помех. Под этим термином подразумевают семейство технических способов обеспечения изоляции между частями системы, которая обеспечивает непроводимость гальванического барьера для земельных и питающих сквозных токов и проводимость для информационного сигнала − фактически это устройство отделения информационного сигнала от среды, по которой он пришел.

В сложной системе управления с разветвленными каналами связи имеется опасность появления ложного заземления линии, причем земля может появиться на нескольких участках цепи одновременно. Для повышения живучести системы по отношению к подобным нарушениям предусматривается гальваническая изоляция входных и выходных цепей приборов относительно цепи питания, а во многих блоках – также между входными и выходными цепями.

Гальваническая изоляция цепей особенно необходима для обеспечения

возможности последовательного соединения нескольких потребителей или источников сигнала, каждый из которых может иметь свою точку заземления.

Принято различать поперечные помехи, называемые также помехами нормального вида (Noise Normal-Mode), и продольные помехи, именуемые помехами общего вида (Noise Common-Mode). Поперечные помехи действуют между входными зажимами измерительного усилителя наряду с входным сигналом. Продольные помехи действуют между входными зажимами измерительного усилителя и землей и в общем случае являются следствием электрической связи источника сигнала и измерительного усилителя с землёй через комплексные сопротивления. Разность потенциалов «земель», обусловленная блуждающими токами, заземлением силовых установок и т.д., и определяет возникновение в измерительном контуре дополнительного источника напряжения продольной помехи, суммируемого с напряжением измеряемых сигналов датчика. Так как проводники, соединяющие датчик и измерительный усилитель, имеют конечное сопротивление, образуется на входе измерительного усилителя напряжение уже поперечной помехи, пропорциональное отношению сопротивления проводника к сумме комплексных сопротивлений электрических связей с землёй, внутреннего сопротивления источника продольной помехи и сопротивления проводника. Таков механизм преобразования продольной помехи в поперечную.

Гальваническое разделение цепей постоянного тока осуществляется обычно по структурной схеме, приведенной на рис. 6.2, а.

В модуляторе М сигнал постоянного тока превращается в последовательность импульсов с использованием амплитудно-импульсной или широтно-импульсной модуляции. Далее импульсный сигнал проходит через разделительный трансформатор Тр, обеспечивающий собственно гальваническое разделение входных и выходных цепей. В демодуляторе Дм производится фазочувствительное выпрямление сигнала, а с помощью сглаживающего фильтра Ф выделяется постоянная составляющая выпрямленного сигнала.

При передаче дискретных сигналов для осуществления гальванического разделения цепей применяются также оптоэлектронные преобразователи – оптроны (рис. 6.2, б), содержащие светодиод СД и фоторезистор ФР (резисторный оптрон) или фототиристор ФТ (тиристорный оптрон).

При появлении управляющего сигнала Uупр светодиод СД облучает светом фоторезистор ФР или фототиристор ФТ, которые переходят в проводящее состояние

изамыкают собой цепь нагрузки zв. После исчезновений сигнала управления излучение светодиода прекращается. Сопротивление фоторезистора в этот момент резко возрастает, что соответствует отключению цепи нагрузки. Отключение же фототиристора может произойти только тогда, когда не только сигнал управления, но

иток нагрузки снизится до нуля. Поэтому тиристорный оптрон используется обычно для коммутации цепей с пульсирующим до нуля током.

а

б

Рис. 6.2. Способы гальванического разделения цепей:

а– с помощью модуляции-демедуляции;

б– с применением оптоэлектронных преобразователей.

Для обеспечения помехустойчивой передачи как цифровых, так и аналоговых сигналов необходимо каждый сигнал передавать по отдельной перевитой паре проводов, а весь жгут заключать в металлический экран. Экран следует заземлять только с одной стороны – либо у источника, либо у приемника сигнала, там, где имеется общая заземленная точка.

Рис. 6.3. Обеспечение помехоустойчивости канала:

Ес, Еп – ЭДС сигнала и помехи, Zз – сопротивление цепи заземления между общей точкой ЭВМ и общей точкой объекта, Zн – сопротивление нагрузки, Zсп, Zoп– сопротивления сигнального и обратного проводов, Э–экран, О – транзисторный оптрон

Например, прием сигнала на вход дифференциального усилителя или на обмотку реле, запитываемого от УСО, не имеет непосредственной связи с «землей», поэтому экран следует заземлять у источника сигнала (рис. 6.3, а). Если же и приемник сигнала, и источник сигнала имеют каждый свое заземление, то экранирование не защищает от проникновения помехи общего вида Еп, вызванной разностью потенциалов общих точек питания источника и приемника. В этом случае надо вводить гальваническую развязку цепей источника и приемника с помощью оптронов (в данном случае транзисторным) (рис. 6.3, б). Обычно Zз<<Zcп=Zoп<Zн, т.е. помеха, проникающая в сигнальную цепь, в основном оказывается на Zн. Экран защищает от внешних электростатических и электромагнитных наводок.

Часто нормализаторы и устройства гальванической развязки совмещают в одном модуле (рис. 6.4). Нормирующий преобразователь построен как развязывающий или изолированный усилитель с трехуровневой изоляцией (3-Way Isolation).

Рис. 6.4. Блок-схема нормализатора с трёхуровневой изоляцией

Блок-схему развязывающего усилителя можно представить как совокупность входного и выходного каскадов питания (рис. 6.4). Отличительной особенностью развязывающих усилителей с трёхуровневой изоляцией является обеспечение раздельного питания входного и выходного каскадов, осуществляемого через разделительный трансформатор. При этом сигнал от входного к выходному каскаду может передаваться тремя способами: через трансформаторную, оптическую или ёмкостную связь. Метод передачи сигнала – это, как правило, модуляция/демодуляция (амплитудная, широтно-импульсная или частотная) и линеаризующая обратная связь. При ёмкостной связи, например, модулированный сигнал передается через ёмкость небольшого номинала (порядка единиц пикофарад) для обеспечения ограничения переменного синфазного напряжения.

Каждый такой модуль поддерживает отдельный канал изолированного аналогового ввода или вывода. Входные модули обеспечивают интерфейс со всеми типами внешних датчиков. Модули фильтруют, изолируют, усиливают и преобразуют входной сигнал к выходному аналоговому сигналу тока/напряжения с диапазонами изменения, принятыми в измерительной технике. Внешнее оформление такого модуля с возможностью монтажа на DIN – направляющих (рельсах)

Для динамично перестраиваемых производств, а также тестового и измерительного оборудования, где требуется высокая гибкость, вызванная частым изменением поддиапазонов измеряемых параметров, заменой датчиков, изменениями измерительного диапазона либо даже типа входного сигнала, фирма Dataforth (США) выпускает нормирующие конфигурируемые преобразователи

Распределение унифицированных токовых сигналов с защитой цепи от разрыва

В распределенных МПСУ с токовым выходным сигналом связи все потребители включаются последовательно, поэтому обрыв линии связи или отключение одного из потребителей приводит к тому, что одновременно прекращается поступление информационного сигнала ко всем остальным потребителям. Для того, чтобы сохранить протекание тока в цепи, параллельно зажимам потребителей на

распределительной колодке подключается сигнальное защитное устройство (рис. 6.7, а), представляющее собой стабилитрон с нелинейной вольт-амперной характеристикой, отличающейся наличием порогового напряжения включения.

Рис. 6.7. Использование стабилитронов для защиты токовой цепи от разрыва:

а– схема включения;

б– вольт-амперная характеристика защитного устройства

Внормальном режиме падение напряжения Uн = IнRн на сопротивлении нагрузки Rн, создаваемое током Iн источника сигнала, меньше порогового

напряжения Uп стабилитрон закрыт и ток через него практически равен нулю (точка В на вольт-амперной характеристике). При обрыве линии связи одного из потребителей (в точке А на рис. 6.7, б) напряжение на нагрузке скачком возрастает (так как источник сигнала стремится поддержать силу тока в цепи), стабилитрон открывается и в цепи сохраняется прежнее значение силы тока. Напряжение на

зажимах потребителя становится равным Uп (точка С на вольт-амперной характеристике), а на зажимах источника напряжение возрастает на величину U = Uп

- IнRн (предполагается, что источник сигнала, имеет соответствующий запас по напряжению).

Защита от дребезга контактов дискретных датчиков

Если применяют контактные датчики бинарного типа (0 − отключено, 1 - включено), называемые часто «сухой контакт», то возникает проблема дребезга контактов - кратковременного отскакивания контактов друг от друга при срабатывании датчика, что достаточно для перехода МПС в непредусмотренное состояние. Для защиты от дребезга вводят инерционные элементы (а) или специальные операторы (б) в программе работы порта ввода (рис. 6.8).

Рис. 6.8. Аппаратная (а) и программная (б) защита от дребезга контактов датчика

В случае использования бесконтактного датчика с двумя состояниями «0» и «1», то при переходе от одного состояния к другому на вход микропроцессорной системы (МПС) кратковременно подается напряжение с промежуточной величиной между «0» и «1». Для быстродействующей МПС этого промежутка времени бывает достаточно, чтобы перейти в непредусмотренное алгоритмом состояние. Необходимо специальное устройство, обеспечивающее быструю смену сигналов. Для этого на выходе датчика или входе МПС включают компаратор. Он выполнен на операционном усилителе с двумя входами, один из которых подключен к

источнику порогового напряжения Uп (рис. 6.9).

Рис. 6.9. Применение компаратора для формирования порогового сигнала бесконтактного бинарного датчика

Если напряжение на выходе датчика равно пороговому напряжению Uн или выше его, то на выходе компаратора появляется сигнал "1".

Если аналоговые датчики и устройства согласования с МПС удалены друг от друга, то сигналы датчиков искажаются из-за сопротивления соединительной линии и электромагнитных помех, воздействующих на линию передачи (рис. 6.10, а). В этом случае преобразование сигнала осуществляют на месте установки датчика. Непосредственно к выходу датчика подключают миниатюрный преобразователь напряжения в частоту U0/f (рис. 6.10, б). При изменении физической величины изменяется частота электрического сигнала, которая не зависит от помех.