1.7. Современные средства измерений

1.7.1. Микропроцессоры в средствах измерений.

В современных технических объектах средства измерений составляют информационно-измери­тельную систему сбора, обработки и хранения ин­формации. Эта система может иметь самостоятельное значение, как напри­мер, в средствах испытаний, неразрушающего контроля или экологического мониторинга, либо составляет неотъемлемую часть системы управления объ­ектом и должна быть полностью с ней интегрирована.

Первое, чем характеризуются все современные средства измерений - это при­менение микропроцессорной техники - микроконтроллеров на основе уни­версальных и специальных сигнальных процессоров (DSP – digital signal processor), программируемой логики. По существу это уже не измеритель­ные приборы в их традиционном понимании, а комплексные информаци­онно-из­мерительных системы, которые позволяют перейти на качественно новый уровень организации систем управления. В подобных прибо­рах изме­рительный и вторичные преобразователи, средства обработки сигна­лов и другие элементы конструктивно объединены и могут быть выделены только на схемном уровне.

Применение микропроцессорной техники в средствах измерений позво­ляет

• Использовать цифровые методы обработки информации и тем самым су­щественно повысить точность измерений, использовать принципы и ме­тоды измерений, нереализуемые традиционными способами

• Обеспечить работоспособность измерительных средств в условиях высо­кого уровня шумов и помех.

• Повысить надежности измерительных средств посредством включения в их состав систем самодиагностики и резервирования, автоматического определения и ликвидации неисправностей и т.п.

• Существенно снизить стоимость средств измерений за счет глубокой уни­фикации всех элементов и переноса центра тяжести обработки изме­рительной информации с аппаратного на программный уровень.

• Использовать программное, а не аппаратное управление измеритель­ным прибором;

• Легко адаптировать средства измерений к любым системам автоматиче­ского управления, создавать интегрированные измерительно-управляю­щих устройства и системы.

Второе, что характеризует современные средства измерений – это высокая степень интеграции всех элементов измерительных систем, когда в одном конструктивном элементе могут размещаться чувствительный элемент дат­чика и комплекс устройств обработки сигнала. Например, во многих ультра­звуковых или оптоэлектронных приборах на одном полупроводниковом кри­сталле располагается матричный приемник оптического или звукового излу­чения, электронный усилитель, аналогово-цифровой преобразователь, мик­роконтроллер для обработки сигнала и связи с внешними устройствами.

В результате мы имеем

• Малые габариты измерительного устройства;

• Высокую помехозащищенность средств измерений;

• Возможность проведения измерений в труднодоступных местах и в экс­тремально неблагоприятных условиях окружающей среды;

• Малое энергопотребление интегрированных устройств и, соответст­венно, возможность использования автономных энергонезависимых измерительных устройств с аккумуляторным электропитанием.

Структура микропроцессорных средств измерений

В микропроцессорных средствах измерений (рис. 1.11) сигнал с дат­чика через блок аналоговой обработки подключатся к входу аналого-цифро­вого преобразователя (АЦП). Далее оцифрованный сигнал с выхода АЦП по­сту­пает на микропроцессорное устройство – контроллер, в котором происхо­дит его цифровая обработка и выделение информации об измеряемой физи­ческой величине. Использование микропроцессоров позволяет программно управлять параметрами аналоговой обработки сигнала и режимами работы датчиков

Измеренное значение физической ве­личине, информация о режимах ра­боты прибора отображается на встроенном светодиодном или жидкокристал­лическом дисплее, а с помощью клавиатуры выбирается программа обра­ботки измерительной информации. вводятся необходимые константы. Связь с внешними устройствами осущест­вляется через последовательный или па­раллельный порт по одному из стан­дартных протоколов. Многие измери­тельные приборы наряду с цифровым вводом/выводом имеют дополнитель­ный аналоговый выход в виде унифицированного сигнала 4-20мА. Управ­ление микропроцессорным прибором осуществляется программно, через сеть, к которой он подключен, либо с встроенной клавиатуры. Все про­граммы обработки сигналов, необходимые калибровочные постоянные и таблицы находятся в памяти микроконтроллера.

Обязательным элементом всех микропроцессорных приборов является блок аналоговой обработки измерительной информации, т.е. электронные схемы, которые выполняют предварительную обработку сигнала датчика. К числу обязательных функций, которые реализуются практически в каждом микропроцессорном приборе, относятся:

• Согласование уровня сигналов датчика и АЦП;

• Согласование внутреннего сопротивления датчика с входным сопротив­лением АЦП;

• Предварительная частотная фильтрация сигнала для снижение уровня шумов и по­мех;

• Защита АЦП и микропроцессора от перенапряжений, кото­рые могут возникать в линиях связи или самом датчике.

Конструктивно аналоговая электронная схема может быть интегриро­вана с АЦП и микроконтроллером. При этом для за­щиты АЦП часто используют оптиче­скую развязку, т.е. передачу сигнала че­рез интегральную оптопару свето­диод-фотодиод. Степень интеграции элементов измерительного при­бора мо­жет быть очень велика, вплоть до размещения всех его элементов – датчика, аналоговой электроники, АЦП и микропроцессора на одном полу­проводни­ковом кристалле.

Микропроцессорный контроллер измерительного прибора может быть выполнен в виде единственного элемента – однокристальной ЭВМ (микро­контроллера), набора микросхем (микропроцессор, АЦП, оперативная и по­стоянная память, порты ввода/вывода и другие элементы), одноплатного компьютера в стандартах EBS, MicroPC, PC/104 и других.