3.2 Принцип работы и структура разрабатываемого устройства
Обоснование метода измерения угловой скорости и описание работы устройства по структурной схеме. Для выполнения требований технического задания устройство должно содержать следующие блоки:
источник ИК-излучения;
приемник отраженного ИК-излучения;
преобразователь фототока в напряжение;
счетчик отраженных импульсов;
формирователь меток времени;
микроконтроллер;
USB порт;
Рисунок 2.1. Структурная схема устройства
На источники ИК-излучения (блоки 1-8) при включении поступает напряжение питания. При вращении исследуемого объекта свет отраженный от наклеенной на вал двигателя световозвращающей ленты поступает на фотоприемник (блоки 9-16). Ток, протекающий через фотоприемник преобразуется в напряжение с помощью (ПТН) (блок 17-24). Напряжение поступает на входы счетчиков (блоки 25-32).
Чтобы обрабатывать данные со счетчиков необходим микропроцессор (блок 33). По ТЗ устройство должно содержать также порт для передачи результатов измерений. Выберем контроллер с CANпортом (блок 34), т.к. возможно подключение к одной линии передачи данных нескольких микроконтроллеров.
4Разработка принципиальной схемы измерения скорости вращения двигателя: расчет и выбор элементов
4.1 Выбор микроконтроллера
Использование микроконтроллера со встроенными счетчиками позволяет реализовать многоканальный аппаратный подсчет импульсов, что позволяет:
выдать цифровой сигнал скорости вращения двигателя в форме требуемой для интерфейса передачи данных CAN;
минимизировать аппаратную реализацию и финансовые затраты.
Микроконтроллер необходим для того чтобы обрабатывать данные с счетчиков, вести протоколирование данных, выводить информацию через интерфейс CAN. Микроконтроллеров имеющих более трех стандартных таймеров счетчиков с интерфейсомCANнет (микроконтроллеры с большим числом таймеров как правило остальные таймеры могут работать только для создания широтно-импульсной модуляции).
Исходя из указанных требований выберем изделие фирмы AtmelAT89С51СС02 [10]. Контроллеры новой серии сочетают в себе производительность 8051-12C ядра, Flash память программ, режимы экономии энергопотребления, и, наконец, коммуникационное ядроCANс низкой ценой и высокой надежностью.
Flash память программ объемом до 16 Кб;
коммуникационное ядро CAN- CANary™;
Максимальная тактовая частота 40МГц;
трехканальный 16-ти разрядный таймер счетчик;
Последовательный интерфейс USART;
10-битный АЦП 8 каналов, аналоговый компаратор.
Т.к. по заданию необходимо реализовать восемь рабочих каналов то нам понадобятся 4 микроконтроллера в них по два таймера будут задействованы для счета импульсов частоты вращения двигателя и один для формирования меток реального времени.
CAN (Control Area Network) - последовательная магистраль, обеспечивающая увязку в сеть "интеллектуальных" устройств ввода/вывода, датчиков и исполнительных устройств механизмов или даже целого предприятия. Характеризуется протоколом, обеспечивающим возможность нахождения на магистрали нескольких ведущих устройств, обеспечивающим передачу данных в реальном масштабе времени и коррекцию ошибок, высокой помехоустойчивостью. Система CAN обеспечена большим количеством микросхем, обеспечивающих работу подключенных к магистрали устройств, разработку которых начинала фирма BOSH [12] для использования в автомобилях, и в настоящее время широко используемых в автоматизации промышленности.
Таблица 4.1.1
Параметры интерфейса CAN:
|
Стандарт |
ISO 11898 |
|
Скорость передачи |
1 Мбит/с (максимум) |
|
Расстояние передачи |
1000 м (максимум) |
|
Характер сигнала, линия передачи |
дифференциальное напряжение, витая пара |
|
Количество драйверов |
64 |
|
Количество приемников |
64 |
|
Схема соединения |
полудуплекс, многоточечная |
Скорость передачи задается программно и может быть до 1 Мбит/с. Пользователь выбирает скорость, исходя из расстояний, числа абонентов и емкости линий передачи.
Таблица 4.1.2 Зависимость скорости и расстояния в интерфейсе CAN
|
Расстояние, м |
25 |
50 |
100 |
250 |
500 |
1000 |
2500 |
5000 |
|
Скорость, Кбит/с |
1000 |
800 |
500 |
250 |
125 |
50 |
20 |
10 |