Размещено на http://www.Allbest.ru/

12

Оглавление

Введение

1. Обзорно-аналитическая часть

1.1 Анализ электромагнитных датчиков угловых перемещений вала

1.1.1 Емкостные датчики

1.1.2 Фотоэлектрические датчики

1.1.3 Электромагнитные датчики

1.1.4 Синусно-косинусный вращающийся трансформатор (СКВТ)

1.2 Анализ способов преобразования сдвига фаз сигналов в код

2. Сравнение амплитудного и фазового методов измерения

1.3 Анализ способов преобразования угловых перемещений вала в сдвиг фаз

1.3.1 Метод бегущей стробирующей метки

1.3.2 Импульсный метод

1.3.3 Интегрированное преобразование сдвига фазы в код

1.3.4 Однократное измерение значения сдвига фаз

2. Функциональная часть

2.1 Расчет метрологических параметров

2.1.1 Диапазон преобразований

2.1.2 Способ представления выходной информации

2.1.3 Разрешающая способность

2.1.4 Максимальное время преобразования

2.1.5 Максимальная частота вращения вала

2.2 Разработка функциональной схемы преобразователя

2.3 Моделирование преобразователя

2.4 Разработка принципиальной схемы преобразователя на микроконтроллере

2.4.1 Типы программируемых плат

2.4.2 Особенности микроконтроллера Atmega 328

2.4.3 Схемотехническое моделирование преобразователя на микроконтроллере

2.4.4 Разработка программного модуля индикации угла для микроконтроллера

2.4.5 Разработка программного модуля преобразования фазы в код для микроконтроллера

2.4.6 Сборка и настройка макетного образца преобразователя

3. Экспериментальные исследования преобразователя

Заключение

Список использованных источников

Приложение



Введение

Устройства промышленной автоматики и робототехники строят на основе цифровых вычислительных систем, которые обеспечивают высокую точность и быстродействие обработки информации. Их параметры развиваются высокими темпами. Растут также и требования к точности данных и скорости работы для подобных систем.

Электронные устройства, схемы и алгоритмы для индикации поворота вала, созданные еще в прошлом веке, до сих пор используются и усовершенствуются с применением более современных компонентов. Потребность в таких устройствах обусловлена широкой областью применения и многообразием особенностей приборов и систем, где используются измерительные системы. Измерительные преобразователи классифицируют по месту в измерительной цепи:

· Первичный измерительный преобразователь испытывает прямые воздействия измеряемых физических величин;

· Датчик является первичным преобразователем, предназначенным для выработки сигнала измерительной информации в форме, удобной для передачи и дальнейшего преобразования;

· Детектор используется при измерениях ионизирующих излучений;

· Промежуточный измерительный преобразователь занимает место в цепи после первичного преобразователя [1].

Для измерения угла поворота вала и его преобразования в электрический сигнал используют различные датчики, в том числе электромагнитные.

Датчики такого типа обладают рядом преимуществ: относительная простота конструкции, механическая прочность, возможность работать как в малых, так и в больших диапазонах, что расширяет области применения электромагнитных датчиков.

Электромагнитные датчики находят применение в областях, где требуется точное измерение угловых перемещений: машиностроение, авиация, энергетика, измерительные комплексы.

Анализ существующих на рынке моделей и схем для преобразования сигналов электромагнитного датчика в код привел к выводу о целесообразности разработки преобразователя, являющегося универсальным для различных типов первичных преобразователей и предоставляющим возможность дальнейшего изменения параметров в программном коде.

Изменяемыми параметрами преобразователя могут быть коэффициент электрической редукции, разрешающая способность, количество каналов системы, режимы грубого и точного отсчета, режимы работы синусно-косинусного вращающегося трансформатора. Преобразователь, соответствующий таким требованиям, должен быть разработан на основе микроконтроллерной системы.

Целью выпускной квалификационной работы является разработка циклического преобразователя модулированных по фазе выходных сигналов электромагнитного датчика угловых перемещений вала в код. Преобразователь должен соответствовать следующим техническим требованиям:

Выходной код: 16-разрядный с фиксированной точкой;

Частота сигналов: 100 Гц;

Диапазон сдвига фазы 0..360 угловых градусов;

Элементная база для моделирования - из библиотеки MicroCAP;

Предоставление результатов работы преобразователя на LCD экране.

На основании поставленной цели, задачами дипломной работы являются:

Анализ способов преобразования сдвига фаз сигналов в код;

Анализ способов преобразования угловых перемещений вала в сдвиг фаз;

Расчет метрологических параметров преобразователя;

Разработка функциональной схемы преобразователя;

Моделирование преобразователя;

Разработка принципиальной схемы преобразователя на микроконтроллере;

Разработка программного модуля преобразования фазы в код для микроконтроллера;

Разработка программного модуля индикации угла для микроконтроллера;

Сборка и настройка макетного образца преобразователя;

Экспериментальные исследования преобразователя.

Результатами данной работы является модель в программе MicroCAP, электрическая схема подключения макетной платы с микроконтроллером, функциональная схема преобразователя в программе MicroCAP, алгоритм преобразования сигналов в код, программа на языке C++.



1. Обзорно-аналитическая часть

1.1 Анализ электромагнитных датчиков угловых перемещений вала

В настоящее время выпускаются датчики угловых перемещений, основанные на емкостном, фотоэлектрическом, электромагнитном способах преобразования угла поворота вала в электрические сигналы.

1.1.1 Емкостные датчики

Одним из распространенных видов датчиков измерения угла являются датчики, работающие по принципу преобразования измеряемых величин в емкость между электродами конденсатора. Причина широкого использования датчиков такого типа в их повышенной чувствительности к измеряемому параметру и малой стоимости. Первичный преобразователь емкостного датчика состоит из двух металлических электродов, которые являются обкладками конденсатора. Также частью конструкции является автогенератор высокой частоты. При изменении углового положения вала меняется емкость конденсатора, а генератор в свою очередь формирует колебания с амплитудой частотой, которые зависят от положения объекта. Изменение амплитуды обрабатывается электронной схемой и создается выходной сигнал.

Рис. 1. Типовая схема емкостного датчика

Как правило, в разных реализациях таких датчиков используется только один из вышеперечисленных изменяемых параметров. Емкостные датчики ввиду своей конструкции обладают серьезным недостатком -- высокая чувствительность к изменениям влажности и воздействию статического электричества.

1.1.2 Фотоэлектрические датчики

Наибольшую точность преобразования перемещений вала обеспечивают фотоэлектрические датчики угла поворота. Такие датчики используются в оптико-электронных приборах для высокоточных измерений угловых или линейных перемещений. Принцип работы фотоэлектрических датчиков заключается в использовании фотоэффекта для измерения необходимых параметров. В конструкцию датчика входят источник излучения, оптический модулятор и фотоприемник. Чувствительность датчиков такого типа зависит от растров, которые модулируют поток излучения.

Рис. 2. Принцип работы фотоэлектрического датчика отражений объекта

Несмотря на свою универсальность и точность, фотоэлектрические датчики обладают также и рядом недостатков: нестабильная работа в среде с повышенным уровнем влажности, чувствительность к вибрациям. Использование таких датчиков может быть мотивированно спецификой решаемой задачи, например, если точности датчиков другого типа недостаточно, а условия среды позволяют избежать помех.

1.1.3 Электромагнитные датчики

В системах автоматики наиболее часто применяют электромагнитные датчики измерения угла. Модуляция выходных сигналов осуществляется за счет изменения взаимной индуктивности между обмотками статора и ротора. Электромагнитные датчики уступают емкостным в чувствительности, но превосходят в показателях надежности и выходной мощности. Конструкция датчика состоит из элементов магнитной цепи (сердечника или якоря) и элементов электрической цепи (обмотки). Принцип работы таких датчиков обеспечивает высокую чувствительность к изменениям углового положения ротора. К достоинствам электромагнитных датчиков следует отнести их вибропрочность и надежность. Выпускаются датчики следующих типов: сельсины, синусно-косинусные двухполюсные вращающиеся трансформаторы, многополюсные вращающиеся трансформаторы (редуктосины), многополюсные воздушные вращающиеся трансформаторы (индуктосины).

1.1.4 Синусно-косинусный вращающийся трансформатор (СКВТ)

Среди электромагнитных датчиков измерения угла поворота стоит выделить синусно-косинусный вращающийся трансформатор (СКВТ). Такие датчики наиболее распространены в навигационных и измерительных системах передачи угла высокой точности. СКВТ способен вырабатывать напряжение по определенной функциональной зависимости от угла поворота (в зависимости от режима работы).

СКВТ имеет малую чувствительность к паразитным емкостям и внешним электрическим полям в сравнении с емкостными преобразователями.

Конструкция представляет собой трансформатор, состоящий из корпуса 1, шихтованного сердечника статора 2 с обмотками 3, шихтованного сердечника ротора 4 с обмотками 5, контактных колец 6 и щеток 7.

Рис. 3. Конструкция СКВТ

Статор состоит из обмотки возбуждения и компенсационной обмотки. Обмотка возбуждения подключается к источнику переменного тока, Схема включения компенсационной обмотки может отличаться в зависимости от разных реализаций СКВТ.

При повороте ротора меняется взаимная индуктивность между обмотками статора и ротора по определенной функциональной зависимости.

Контакт с обмотками ротора происходит при помощи щеток и контактных колец, либо при помощи спиральных пружин в зависимости от режима поворота СКВТ.

В настоящее время наиболее распространены бесконтактные СКВТ. Для передачи сигнала с ротора в них используются кольцевые трансформаторы.

Различают два режима работы СКВТ:

Режим пульсирующего поля;

Режим вращающегося поля.

В режиме пульсирующего поля используется только одна из двух обмоток статора. На нее подается ток, создающий магнитный поток. Магнитный поток сцепляется со вторичной обмоткой, расположенной на статоре и происходит индукция. Положение вторничной обмотки зависит от угла поворота. Возникающая при этом э.д.с. -- параметр, зависящий от положения вторничной обмотки и, следовательно, от угла поворота. При холостом режиме работы индуцируется напряжение на одной из роторных обмоток

,

где U--выходное напряжение,

-- максимальное значение напряжения (при угле в 90),-- круговая частота тока питания,

-- время,

-- угол поворота.

На второй обмотке ротора индуцируется напряжение

.

В режиме вращающегося поля питание подается на обе обмотки статора, пространственно сдвинутые на 90. В первой обмотке ротора индуцируется э.д.с., вызванное электромагнитными полями первой и второй обмоток статора. Получение фазомодулированного сигнала в режиме вращающегося поля можно описать формулой:

Таким образом, напряжение при изменении угла поворота происходит фазовая модуляция выходного напряжения роторной обмотки относительно любого из напряжений, питающих обмотки статора.

Важно уточнить, что в идеальном случае выходные напряжения трансформатора изменяются по синусоидальному и косинусоидальному законам, но в реальных условиях возникают отклонения напряжений от номинальных значений. Процесс преобразования угла поворота в сдвиг фазы сопровождается погрешностями, которые зависят от технологических погрешностей изготовления деталей электромагнитной системы СКВТ (инструментальные погрешности).

1.2 Анализ способов преобразования сдвига фаз сигналов в код

Преобразование сдвига фазы в код является промежуточным преобразованием между датчиком поворота и вычислительным устройством. Для таких преобразований существуют различные методы реализации, отличающиеся динамической и статической точностью преобразования, скоростью преобразования и совместимостью с другими компонентами системы преобразования. При разработке преобразователя сигналов датчика в код необходимо выбрать оптимальный метод преобразования сдвига фаз сигналов в код в зависимости от технических и функциональных требований к разрабатываемой системе.

В начале разработки преобразователя известен тип датчика и его метрологические параметры. Применяются два метода преобразования аналоговых выходных сигналов датчика в код: амплитудный и фазовый. С метрологической точки зрения амплитудный и фазовый методы преобразования равноценны. Но фазовый метод позволяет уменьшить объем используемой аппаратуры [2].

Методы измерения сдвига фаз сигналов позволяют достигать точности измерения, превышающей точность электромагнитных датчиков. Первой задачей при разработке преобразователя сигналов в код является синхронизация отдельных узлов и элементов системы. Вторая задача -- выбор метода преобразования, который обеспечивает заданные параметры преобразователя при известных ограничениях на объем аппаратуры.

Сравнение амплитудного и фазового методов измерения

Принцип работы амплитудного метода преобразования угла поворота вала в код заключается в сравнении амплитуды сигнала, получаемого с датчика с амплитудой опорного сигнала. По принципам сравнения амплитуд, метод может быть произведен в нескольких схемных решениях:

· промежуточное преобразование в тангенс поворота;

· преобразование на основании воспроизведения аппроксимирующих функций угла;

· преобразование амплитуды во временной интервал;

· преобразование на основе генератора гармонических сигналов [3].

Отличиями фазовых методов от амплитудных являются более простые алгоритмы преобразования. Фазовые методы позволяют значительно повысить точность преобразователей, а также помехоустойчивость. Погрешности цифровых преобразователей угла при применении фазовых методов зависят преимущественно от фазовой стабильности первичных датчиков угла и преобразующих устройств. Необходимо рассмотреть каждый из этих методов, чтобы выявить их достоинства и недостатки и выбрать методы для разработки схемы преобразователя.

1.3 Анализ способов преобразования угловых перемещений вала в сдвиг фаз

1.3.1 Метод бегущей стробирующей метки

Этот метод преобразований «фаза-код» отличается использованием непрерывно работающего счетчика. При использовании данного метода формируются гармонические квадратурные сигналы с частотой , синхронизированные с .



Рис. 4. Схема преобразователя фаза-код по методу стробирующей метки (а) и схема формирователя квадратурных напряжений

Переход выходного напряжение через нуль фиксируется компаратором и формирователем напряжений они же формируют прямоугольный импульс, который и называется стробирующей меткой. Момент записи кода фиксируется и происходит считывание. Таким образом, от соотношения не будет зависеть точность выходных данных преобразователя, что является главной особенностью метода бегущей стробирующей метки. Данный метод отличается простотой реализации, а недостатком этого метода является низкая помехозащищенность.

1.3.2 Импульсный метод

Импульсный метод преобразования фазы в код является наиболее распространенным. Принцип работы этого метода заключается в заполнении счетными импульсами временного интервала пропорционального фазовому сдвигу. Импульсы при этом подсчитывается счетчиками.

Для более подробного рассмотрения импульсного метода необходимо определить основные параметры, используемые в формулах. Фаза гармонического колебания вида

,



где -- это константы, определяется как аргумент синусоидальной функции .

При этом -- амплитуда гармонического колебания;

-- период синусоидального колебания;

-- начальный фазовый сдвиг;

-- текущее время.

Разность фаз между двумя гармоническими сигналами определяется выражением

.

Рис. 5. Функциональная схема, реализованная на основе импульсного метода

Для реализации импульсного режима на практике необходимо определить мгновенное изменение фазы гармонического сигнала. Такое изменение обычно называют скачком фазы. Скачок фазы можно определить как изменение формы входного сигнала вида на сигнал вида:

в момент времени , то есть изменение фазы фиксируется изменением аргумента функции гармонического сигнала на величину этой фазы.

В отличие от метода бегущей стробирующей метки, в импульсном методе преобразования фазы в код, точность зависит от соотношения: , где несущая частота, а стабильная частота. Импульсный метод отличается также относительной простотой реализации и как следствие распространенностью в современных системах, где используется преобразования сигналов в код. В данной дипломной работе будет реализован именно импульсный метод преобразования фазы в код в виду его распространенности.

1.3.3 Интегрированное преобразование сдвига фазы в код

Многократные измерения позволяют уменьшить систематическую погрешность. Принцип работы интегрирующего преобразователя фазы в код заключается в сложении кодов, соответствующих мгновенным значениям сдвига фазы, с последующим делением на суммарного кода. Угол поворота сдвига фаз при этом можно будет выразить соотношением

где -- номер измерения фазы.

Суммирование временных интервалов в этом методе начинается о значения меньшего половины полного значения фазы. В случае, если временной интервал от старт - до стоп-импульса больше полного значения фазы, то к моменту перехода через полное значение фазы временные интервалы вычитаются из общей суммы. При переходе через полное значение фазы временные интервалы суммируются. Если временной интервал от старт - до стоп-импульса в начале измерений меньше половины полного значения фазы, то к моменту перехода полного значения фазы временные интервалы суммируются, а после перехода вычитаются.

Недостатком такого метода являются динамические погрешности возникающие из-за несоответствия информации ее значению в определенные моменты времени.

Для повышения производительности преобразователей фазы в код интегрирующего типа часто используют метод «скользящего усреднения». Данный метод служит для преобразования временных интервалов, пропорциональных измеряемому сдвигу фаз в код и подсчету среднего арифметического кодовых значений интервалов.

Можно сделать вывод, что преобразователи фазы в код интегрирующего типа рационально использовать в системах с низкой или близкой к постоянной скорости измерения сдвига фазы.

1.3.4 Однократное измерение значения сдвига фаз

В основе однократного измерения значения сдвига фаз лежит принцип преобразования измеряемого сдвига в периодическую последовательность эталонных временных интервалов от старт-импульсов до стоп-импульсов. Импульсы тактового генератора подсчитываются в интервале от старт - до стоп- импульса. Таким образом, дискретное значение фазы является числом подсчитанных импульсов в данном интервале.

где -- цена одного импульса.

Максимальное время преобразования фазы равно двум периодам входного сигнала.

Основным недостатком метода мгновенного измерения значения сдвига фаз является погрешности, возникающие вследствие внутренних или внешних шумов. Внешние шумы возникают из-за погрешности преобразователя сигналов датчика в фазу. Внутренние шумы могут быть вызваны неопределенностью расположения старт и стоп импульсов относительно генератор. Можно сделать вывод, что реализация такого метода целесообразна при достаточно низком уровне погрешностей преобразования аналог-фаза и синхронизации старт и стоп импульсов с импульсами генератора.



2. Функциональная часть

2.1 Расчет метрологических параметров

Важным этапом в разработке преобразователя входных сигналов электромагнитного датчика в код является расчет его метрологических параметров. Начальным параметром, который будет использоваться в расчетах, является частота напряжения питания синусно-косинусного вращающегося трансформатора (СКВТ), равная 100 Гц.

Из метрологических параметров для расчета необходимо выделить следующие:

1. Диапазон преобразований.

2. Способ представления выходной информации.

3. Разрешающая способность.

4. Максимальное время преобразования.

5. Максимальная частота вращения вала.

Подробное описание каждого параметра будет представлено ниже.

2.1.1 Диапазон преобразований

Под диапазоном подразумевается, что преобразователь может работать в режиме непрерывного вращения вала СКВТ. В соответствии с заданием, значения выходного кода и угла поворота должны быть связаны линейно.

Таким образом, диапазон преобразований представляет собой интервал 0…360 угловых градусов.

2.1.2 Способ представления выходной информации

Выходная информация об угле поворота вала СКВТ должна быть представлена в форме двоичного кода с фиксированной точкой.

Для удобства восприятия оператором информацию об угле поворота вала было решено выводить в угловых единицах в десятичном формате, представленном в табл.1.

Таблица 1

Разряды индикации вывода

Номер разряда	Значение разряда
1	Сотни градусов
2	Десятки градусов
3	Единицы градусов
4	Десятки минут
5	Единицы минут

2.1.3 Разрешающая способность

Под разрешающей способностью в разрабатываемом преобразователе подразумевается вес единицы младшего разряда выходного кода, выраженный в единицах угла.

Таким образом, емкость выходного кода должна совпадать с количеством угловых минут в полном обороте вала.

N = G * M = 360 * 60 = 21600,

где N - количество угловых минут в полном обороте,

G - количество угловых градусов в полном обороте,

M - количество угловых минут в угловых градусах

2.1.4 Максимальное время преобразования

Вследствие того, что разрабатываемый преобразователь циклического типа, необходимо выполнять преобразования в течение каждого периода входного сигнала СКВТ.

Таким образом, частота преобразования равна частоте питания СКВТ, и составляет 100 Гц, поэтому можно найти время преобразования.



где - максимальное время преобразования,

- частота питания СКВТ.

Рассчитанная величина максимального времени преобразования по существу является периодом циклов преобразования, эта величина постоянна. Время преобразования может находиться в диапазоне от 0 до 10 мс.

Длительность преобразования оказывает влияние на динамическую погрешность преобразователя. Динамическая погрешность представляет собой отклонение результатов измерения угла при перемещении вала в течение времени преобразования от результата статического преобразования при отсутствии движения вала.

2.1.5 Максимальная частота вращения вала

Для расчета максимально допустимой угловой скорости вращения вала необходимо задать максимально допустимую динамической погрешность и определить соответствующую ей максимальную скорость углового вращения вала. Максимально допустимая динамическая погрешность назначается исходя из требования системы, элементом которой является преобразователь. В качестве отправного значения выбирается величина погрешности в 10 угловых минут и рассчитывается максимальная скорость вращения вала.

Динамическая погрешность понимается как задержка результата измерения текущего значения угла в форме кода. Большинство систем измерения угла используется в режиме следящих систем. Задержка получения информации приводит к уменьшению точности и возможности возникновения автоколебаний в механической системе. Максимальная дискретность приращения угла за интервал измерений не должен превышать 10 угловых минут.

Известен временной интервал, в течение которого вал должен повернуться на максимально допустимый динамической погрешностью угол. Временной интервал должен быть равен периоду измерений, а именно 10 мс.

где - угловая частота вращения вала,

- максимально допустимое динамической погрешностью расстояние, которое может пройти вал за период измерений,

t - период измерений.

Итоговые значения погрешностей представлены в табл.2.

Таблица 2

Метрологические параметры преобразователя

Метрологический параметр	Значение
Диапазон преобразований	0…360 угловых градусов
Способ представления выходной информации	пять разрядов: два десятичных разряда на минуты, три - на градусы
Разрешающая способность	1 угловая минута
Максимальное время преобразования	10 мс
Максимальная частота вращения вала	0,046 оборотов / с

2.2 Разработка функциональной схемы преобразователя

Для разработки алгоритма работы преобразователя была разработана схема, включающая в себя несколько модулей:

1. Преобразователь входных гармонических сигналов, получаемых с датчиков.

2. Формирователь служебных сигналов.

3. Модуль подсчета тактовых импульсов и индикации результата преобразования.

Функциональная схема преобразования представлена на рис. 6.

Рис. 6. Функциональная схема преобразователя

Первый этап работы преобразователя заключается в преобразовании входных гармонических сигналов, получаемых с электромагнитных датчиков измерения угла, в прямоугольные импульсные. Далее необходимо выделить разность фаз в полученных после преобразования прямоугольных импульсных сигналах, тем самым получить интервалы времени со значением лог. 1, которые будут называться «окнами». Для подсчета длительность временного интервала «окон» будет использоваться генератор импульсов. Импульсы генератора заполнят «окна» и будут подсчитаны счетчиками.

На втором этапе формируются два служебных импульса: очистки и записи. Данные импульсы необходимы, так как работа преобразователя происходит непрерывно. Сигнал записи подается на буферы, когда заканчивается подсчет импульсов с «окнах». Сигнал очистки подается на счетчики по завершении обработки входных сигналов, это позволит работать преобразователю непрерывно и выдавать корректные результаты.

Третий этап работы преобразователя заключается в подсчете тактовых импульсов при помощи пяти счетчиков, записи результатов в буферы, а также индикация итогового результата.

2.3 Моделирование преобразователя

Для моделирования преобразователя синусоидальных аналоговых сигналов в код была использована программа MicroCAP. В преобразовании сигналов можно выделить 3 основных этапа:

1. Преобразование двух синусоидальных аналоговых сигналов в прямоугольные импульсные, и выделение временного интервала между их фронтами.

2. Создание двух импульсных сигналов для очистки счетчиков и для записи в буфер.

3. Преобразование временного интервала между фронтами в код при помощи счетчиков и индикация результата.

Подробнее каждый этап будет описано ниже.

Рис. 7. Пример схемы первого этапа преобразования сигналов в MicroCAP

Для имитации сигналов, которые поступают от электромагнитного датчика, были использованы два генератора синусоидальных сигналов. Частота сигналов равна 100 Гц, а фазовый сдвиг у одного из генераторов равен 30 угловым градусам, что в дальнейшем будет являться результатом измерения. Данный пример значений сигналов генератора использовался для демонстрации работы модели в программе MicroCAP. Параметры сигналов генераторов, которые задавались при моделировании, представлены на рис.8 и рис. 9.

Рис. 8. Параметры первого генерируемого сигнала

Рис. 9. Параметры второго генерируемого сигнала

Первым этапом работы схемы является преобразование синусоидальных аналоговых сигналов в прямоугольные импульсные двумя компараторами.

Выделение временного интервала, соответствующего совпадению высоких уровней импульсов, выполняется логической схемой исключающее или (XOR), которая в дизъюнктивной нормальной форме (ДНФ) представляется в виде:

.

преобразователь сигнал фаза код микроконтроллер



Таблица 3

Таблица истинности логической схемы XOR

A	B	AXORB
0	0	0
0	1	1
1	0	1
1	1	0

Данная обработка поможет выделить разность фаз двух сигналов, тем самым получить интервалы времени со значением лог. 1, которые в дальнейшем будут называться «окном». Необходимо измерить длительность полученных «окон». Обработанный логической операцией значение подается на вход схемы логического умножения AND вместе с импульсами генератора с частотой 21,6 КГц. Генерация специальных импульсных сигналов задавалась в программе MicroCAP при помощи следующего кода:

.define _2KHzClk

+0ns 0

+label=start

+231.5n 1

+463n 0

+694.5n gotostart -1 times

Таким образом, число импульсов, которое помещается в «окно» пропорционально длительности «окна». В свою очередь, длительность «окна» пропорциональна сдвигу фаз между сигналами датчика, поступающими на вход преобразователя.

Временные диаграммы сигналов в логических схемах преобразователя представлены на рис. 10.



Рис. 10. Временные диаграммы преобразования входных сигналов

На 1 и 2 диаграммах (рис.10) представлены сигналы, поступающие в преобразователь с датчика угла, а также импульсные сигналы, сформированные компараторами. Временные «окна», предназначенные для заполнения их эталонными импульсами, сформированы логическими схемами XOR. На 4 диаграмме изображены импульсные сигналы генератора, которые в дальнейшем будут использоваться для подсчета изменения угла, из-за того, что частота сигналов генератора значительно больше частоты входных синусоидальных сигналов, становится проблематично при одном масштабе вывести на диаграмму каждый импульс сигнала генератора. На 5 диаграмме представлен результат логической операции, вследствие которой импульсы генератора считаются только в «окнах». Именно значения сигнала, изображенного на 5 диаграмме, будет подаваться на вход счетчиков на следующем этапе.

Второй этап обработки сигналов заключается в формировании двух служебных импульсов: отчистки и записи в буфер.

Служебные импульсы формируются схемой, построенной на четырех триггерах (по два на каждый импульс), двумя инверторами и двумя логическими умножениями AND, для импульса очистки логическое умножение имеет инвертированный выход.

Рис. 11. Пример схемы для формирования служебных сигналов в MicroCAP

Для обработки и дальнейшего формирования импульсов используются сигналы генератора и сигнал, несущий «окна». Это необходимо для того, чтобы импульсы для очистки и записи в буфер формировались из тактовой последовательности, а начинались со значения лог. 1 в сигналах, в которых присутствуют «окна».

Рис. 12. Временные диаграммы формирования служебных сигналов

На 1 и 2 диаграммах (рис.12) изображены сигналы, которые были взяты из предыдущего этапа для дальнейшей обработки. На диаграмме 3 изображен итоговый сигнал, который содержит число импульсов, предназначенных для подсчета при формировании выходного кода. Импульсы для очистки и записи в буфер, которые необходимо было получить в данном этапе, показаны на 4 и 5 диаграммах соответственно. Примечательно, что полярность и логические уровни импульсов отличаются из-за инвертора на выходе логического умножения AND у импульса для очистки.

Завершающий этап заключается в подсчете количества импульсов, содержащихся в «окнах», а также отчистки и записи в буферы кодов, полученных в счетчиках. Буферизация результатов преобразований позволяет обеспечить индикацию значений последних измерений во время нового цикла работы счетчиков.

Рис. 13. Пример схемы индикации измерений в MicroCAP

На вход схемы преобразования и индикации (рис.13) подается три служебных сигнала:

1. Input - для подсчета количества импульсов, каждый из которых имеет вес одной угловой минуты, данные о которым были получены в первом этапе.

2. Clear - для очистки JK-триггеров, которые используются в счетчиках, после каждого цикла измерения.

3. Record - для записи значений в буфер и дальнейшего вывода результата на семисегментный индикатор.

Вследствие того, что моделируемая схема имеет разрешающую способность измерения в одну угловую минуту, в преобразователе необходимо иметь возможность вывода пяти десятичных разрядов: два разряда для отображения количества минут, три - для градусов.

Количество минут в градусах равно 60, а значение градусов не превышает значения 360, из-за чего возникла необходимость смоделировать счетчики-делители на 6 и 4 (рис.14 и рис.15 соответственно).

Рис. 14. Пример схемы счетчика-делителя на 6 в MicroCAP

Рис. 15. Пример схемы счетчика-делителя на 4 в MicroCAP

Коды с выходов счетчиков записываются в буферы, каждый их которых выполнен на 4-разрядныхрегистрах с тремя электрическими состояниями выходов. Запись в буферы выполняется импульсом, сформированном в ранее описанной схеме.

В завершении работы преобразователя сигналы из буфера, который хранит значения вычислений, через дешифраторы передаются на входы семисегментных индикаторов. Итоговый результат работы созданной модели выводится на семисегментные индикаторы, расположенные в соответствии с разрядами конечного результата.

Таким образом, в программе MicroCAP была смоделирована система, которая имитирует два синусоидальных аналоговых сигнала с датчиков измерения угла, подсчитывает разность фаз между этими сигналами и выводит значение угла на индикаторы.

Тестирование схемы выполнялось для нескольких значений сдвига фаз входных сигналов:

1. Сдвиг фаз равен 0. Задается подачей на входы преобразователя одного и того же сигнала. Фиксируется показание индикаторов.

2. Задается сдвиг фаз средствами программы MicroCAP, соответствующие углу 11° 11'. Фиксируется показание индикаторов.

3. Задается сдвиг фаз равный углу 359° 59'. Фиксируется показание индикаторов.

Выполненное тестирование подтвердило корректность показаний преобразователя.

2.4 Разработка принципиальной схемы преобразователя на микроконтроллере

Большинство современных технических реализаций преобразователей угла поворота вала в код выполнены на микроконтоллерных системах. Создание преобразователя на микроконтроллере существенно упрощает задачу перед разработчиками и увеличивает универсальность таких преобразователей.

Задача разработки преобразователя на микроконтроллере заключается в разработке принципиальной схемы преобразователя на микроконтроллере и программном воспроизведении методов индикации угла и преобразования фазы, описанные в пунктах разработки функциональной схемы и моделирования преобразователя.

2.4.1 Типы программируемых плат

В настоящие время существует множество готовых решений для разработки встраиваемых приложений, в виде программируемых плат. Выбор платы должен быть основан на соответствии критериям:

· Доступность схемотехнических компонентов для платы;

· Наличие USB порта;

· Поддержка языка программирования C++;

· Не менее 2 цифровых выходов.

Среди нескольких, подходящих по критериям решений, выделяют тринаиболее популярные на настоящий момент платы:

· Arduino Uno

· Raspberry PI

· BeagleBone

Данные модели не случайно были выбраны для сравнения. Выделенные платы доступны из-за своей невысокой стоимости, достаточно компактны, а также универсальны для создания различных цифровых устройств.

Плата Arduino Uno является наиболее популярным решением реализации встраиваемых приложений (рис. 16). Платы Arduino на данный момент доступны в различных форм-факторах, с различным набором периферии. Arduino Uno в качестве представителя своей линейки была выбрана не случайно. Для Arduino Uno доступна достаточно простая среда разработки, а также большая база наработок и программных решений, что существенно облегчает создание приложений.

Рис. 16. Плата Arduino Uno

Плата Raspberry Pi является относительно новым решением среди плат для разработки приложений. Raspberry Pi, которая позиционирует себя на рынке как недорогое решение для начинающих разработчиков, представляет собой одноплатный компьютер (рис. 17).

Рис. 17. Плата Raspberry Pi

Плата BeagleBone является наименее известной из представленных. Несмотря на это широкие возможности этой платы она позволяет создавать множество встраиваемых приложений. Плата представляет собой мощный Linux-компьютер компактных размеров, который способен поддерживать работу с такими ОС, как Ubuntu и Android (рис. 18).

Рис. 18. Плата BeagleBone

Каждая из трех плат имеют уникальный функционал и набор периферии. Основываясь на плюсах и минусах в характеристиках платы (рис.19), можно сделать вывод о том, какую плату необходимо использовать для разработки.

Рис. 19. Сравнение плат Arduino Uno, Raspberry Pi и BeagleBone

По данным параметрам была выбрана плата серии Arduino Uno. Данная плата хоть и не обладает вычислительной мощью, сравнимой с конкурентами, но зато является открытой платформой, имеет значительное количество встраиваемых библиотек, компонентов и более низкую цену.

2.4.2 Особенности микроконтроллера Atmega 328

Arduino Uno выполнен на базе микроконтроллере Atmega 328.Микроконтроллеры серии megaAVR хорошо подходят для приложений с большим количеством кода, помимо этого они примечательны своим быстродействием, которое достигает 20 млн. операций в секунду. Самопрограммирование, которое поддерживают все устройства megaAVR, позволяет быстро и безопасно выполнять внутрисхемное программирование. Еще одно преимуществ данных устройств заключается в возможности обновления флеш-памяти без остановки системы.

Atmega 328 выделяется из семейства megaAVR в первую очередь простотой реализации и низкой ценой. Микроконтроллер используется в основном в автономных проектах, где не требуется высокая вычислительная мощность. Atmega 328содержит8-битный процессор, 23 линии ввода-вывода, 32 регистра памяти, 3 таймера, шестиканальный PWM, интерфейс I2C. Atmega 328 работает при напряжении питания от 1,8 до 5,5 вольт. Пропускная способность приближается к 1 MIPS на МГц. [4]

Рис. 20. Выводы микроконтроллера Atmega 328

В табл. 4. представлено описание назначений выводов микроконтроллера Atmega 328 [5].

Таблица 4

Описание назначений выводов микроконтроллера Atmega 328

Номер выхода	Обозначение	Назначение
1	PC6	Перезапуск
2	PD0	Цифровой вывод
3	PD1	Цифровой вывод
4	PD2	Цифровой вывод
5	PD3	Цифровой вывод
6	PD4	Цифровой вывод
7	Vcc	Положительное напряжение
8	GND	Земля
9	XTAL 1	Кварцевый генератор
10	XTAL 2	Кварцевый генератор
11	PD5	Цифровой вывод
12	PD6	Цифровой вывод
13	PD7	Цифровой вывод
14	PB0	Цифровой вывод
15	PB1	Цифровой вывод
16	PB2	Цифровой вывод
17	PB3	Цифровой вывод
18	PB4	Цифровой вывод
19	PB5	Цифровой вывод
20	AVcc	Положительное напряжение для АЦП
21	Aref	Опорное напряжение
22	GND	Земля
23	PC0	Аналоговый вход
24	PC1	Аналоговый вход
25	PC2	Аналоговый вход
26	PC3	Аналоговый вход
27	PC4	Аналоговый вход
28	PC5	Аналоговый вход

2.4.3 Схемотехническое моделирование преобразователя на микроконтроллере

Для разработки преобразователя на микроконтроллере была использована плата Arduino Uno и 3 дополнительных компонента:

Плата расширения Trema Shield;

Инкрементальный энкодер (Trema-модуль);

Символьный дисплей LCD1602 IIC/I2C.

Инкрементальный энкодер в системе будет играть роль датчика угла поворота вала. Использование энкодера, а не электромагнитного датчика, обусловлено исследовательской, а не производственной целью работы. Плата Trema Shield подсоединяется к Arduino Uno и используется для подсоединения сразу двух компонентов (энкодера и экрана) по цифровым входам выходами интерфейсу I2C. LCD экран необходим для визуальной демонстрации работы преобразователя.

Trema Shield имеет 13 цифровых входов/выходов и 6 аналоговых выходов для подключения дополнительных модулей.

Рис. 21. Устройство Trema Shield

Инкрементальный энкодер является модулем для подключения к Trema Shield. Модуль содержит пять выводов:

· выводы A и B для считывания поворота энкодера,

· вывод S для тактовой кнопки,

· выводы питания Vи G.

Оборот инкрементального энкодера приводит к подаче импульсов на вывод A или B в зависимости от направления поворота. Количество импульсов на выводе при обороте вала всегда будет одинаковым, импульсы подаются дискретно при каждом обороте.

Рис. 22. Подключение модуля энкодера к Trema Shield



Сравнения количество импульсов на выводах энкодера позволяют определить направление поворота. Полный оборот вала энкодера разбит на 20 дискретных участков по 18° на каждый, значит при полном обороте вала энкодера, на выходе каждого вывода модуля сформируется по 20 импульсов [6].

Таблица 5

Технические характеристики модуля инкрементального энкодера

Входное напряжение питания	5В
Потребляемый ток	Не более 3А
Допустимый ток на выходах	Не более 10мА
Сопротивление контактов	Меньше 3 Ом
Количество циклов вращения	Меньше 30000
Количество циклов переключения	Меньше 20000
Рабочая температура	-30 .. 70°C
Длина вала	12 мм
Диаметр вала	6 мм
Габариты	30x30x38 мм

Рис. 23. Устройство дисплея LCD1602 IIC/I2C

Рис. 24. Подключение дисплея LCD1602 IIC/I2C к Trema Shield

LCD дисплей используется для визуального представления результата работы преобразователя. Экран также будет подключен к плате Trema Shield с использованием аппаратной шины I2C для передачи данных. Питание дисплея происходит при подаче напряжения 5В на выводы VCCи GND.

Таким образом, разработка функциональной схемы преобразователя на микроконтроллере, заключается в соединении Arduino Uno и трех дополнительных модулей по уже указанным выводам.

2.4.4 Разработка программного модуля индикации угла для микроконтроллера

Поворот вала инкрементального энкодера на один шаг, формирует заранее известное количество импульсов на одном из выходов A и B (в зависимости от направления поворота). Аппаратный счетчик подсчитывает количество получаемых импульсов, по которому можно определить угол поворота вала.

Такая реализация индикации угла предусмотрена технической спецификацией программируемой платы. Задача подсчета импульсов при помощи аппаратного счетчика реализуется за счет дискретности поворотов вала. Количество импульсов при одном повороте всегда одинаково, а повороты происходят дискретно. При использовании электромагнитного датчика перемещений вала, подсчитать количество импульсов при помощи аппаратного счетчика уже не будет представляться возможным. Применение импульсного метода индикации угла позволит определить изменение фазы сигнала в том числе и для электромагнитного датчика. Сложность разработки программного модуля импульсного метода индикации угла при применении энкодера оправдана последующем повышением универсальности преобразователя.

При разработке импульсного метода индикации угла необходимо определить скачок фазы гармонического сигнала. Для этого необходимо получать данные с выводов d12 и d13, к которым подключены выводы энкодера A и B.

Рис. 25. Схема инкрементального энкодера

Для индикации сдвига фаз сигналов нужно провести сравнение импульсных сигналов выводов d12 и d13 с сигналом на выводе, без подключенных модулей, используем d11. Сравнение реализуется циклическим выполнением операции XOR над значениями, получаемыми с выводов d11, d12, d13. Необходимо упростить алгоритм, заранее узнав направление поворота вала, таким образом, нужно будет провести сравнение только двух сигналов.

Рис. 26. Обработка сигналов с энкодера в библиотеке iarduino_Encoder_tmr

Библиотека для работы с инкрементальными энкодерами iarduino_Encoder_tmr [7] является свободно распространяемым программным решением и значительно упрощает работу с энкодером. Возможности использования данной библиотеки позволяют получать значения в зависимости от поворота энкодера, не подключаясь напрямую к цифровым портам.

2.4.5 Разработка программного модуля преобразования фазы в код для микроконтроллера

Задача преобразования фазы в код на микроконтроллере значительно упрощена по сравнению с моделированием преобразователя на основе логических элементов. Получив значение сдвига фазы в определенный момент времени, необходимо преобразовать полученное значение количества импульсов в значение угла с точностью до минуты. Максимальное значение угла равно 359 градусов и 59 минут. Счетчик угла создается при помощи логического оператора if для проверки разряда значения угла на предельное значение. Если приращение угла равно одной угловой минуте, а значение на счетчике равно 59 секундам, то разряды секунд обнуляются, а разряд единиц градусов увеличивается на один. Аналогично для остальных разрядов с условием ограничения:

Разряд сотен угловых градусов 3;

Разряд десятков угловых градусов 3 при разряде сотен угловых градусов равном 3;

Разряд десятков угловых минут5.

После преобразования фазы в код, значение угла увеличивается в зависимости от шага поворота, определенного на этапе разработки устройства. Последний этап программной части разработки преобразователя -- вывод значения угла поворота на LCD дисплей. Для этого, используется библиотека LiquidCrystal_I2C_V112. Данная библиотека доступна в открытом доступе [8].

Рис. 27. Программная реализация счетчика градусов и минут

Средства библиотеки позволяют инициализировать экран как объект класса библиотеки и выводить символы на дисплей, используя команду print.

Рис. 28. Использование библиотеки LiquidCrystal_I2C_V112 при подключении LCD экрана по шине I2C.

2.4.6 Сборка и настройка макетного образца преобразователя

Первый этап схемотехнического моделирования преобразователя на микроконтроллере -- подсоединение платы Trema Shield по цифровым портам. Модуль энкодера подключается к цифровым выводам d12 и d13 платы Trema Shield, входы соответствуют аналогичным выводам Arduino Uno. Дисплей LCD подключается к шине I2C платы Trema Shield. Питание можно подключить через USB-порт.



Рис. 29. Алгоритм работы преобразователя при использование инкрементального энкодера

Рис. 30. Рабочий макет преобразователя



3. Экспериментальные исследования преобразователя

Для проверки корректности работы преобразователя, необходимо проверить значения угла при некоторых значениях. Выделим ключевые изменения угла, при которых наиболее вероятно получение неверных результатов преобразователя:

1. Переход значения 59 угловых минут в 1 градус.

2. Изменение угла в противоположенную (отрицательное значение угла поворота) сторону при переходе от градуса к угловым минутам.

3. Предельные значение 0 градусов, 0 угловых минут.

4. Предельное значение 359 градусов, 59 угловых минут.

Экспериментальное исследование проводилось вращением вала энкодера в соответствующие условию стороны. Данные продемонстрированы на LCD дисплее. Результаты экспериментальных исследований приведены в табл.5.

Таблица 5

Результаты экспериментальных исследований

Значение угла до поворота вала	Шаг	Ожидаемое значение угла после поворота вала	Значение угла после поворота вала
0 градусов, 0 угл. минут	1 угл. минута	0 градусов, 1 угл. минута	0 градусов, 1 угл. минута
0 градусов, 59 угловых минут	1 угл. минута	1 градус, 0 угл. минут	1 градус, 0 угловых минут
99 градусов, 59 угл. минут	1 угл. минута	100 градусов, 0 угл. минут	100 градусов, 0 угл. минут
359 градусов, 59 угл. минут	11 угл. минута	359 градусов, 59 угл. минут	359 градусов, 59 угл. минут
359 градусов, 59 угл. минут	10угл. минут	359 градусов, 59 угл. минут	359 градусов, 59 угл. минут
1 градус, 0 угл. минут	-1 угл. минута (поворот в обратную сторону)	0 градусов, 59 угл. минут	0 градусов, 59 угл. минут
0 градусов, 0 угл. минут	-10 угл. минут (поворот в обратную сторону)	0 градусов, 0 угл. минут	0 градусов, 0 угл. минут

Заключение

В ходе выполнения работы были проанализированы методы преобразования угловых перемещений вала в код, методы преобразования сдвига фаз сигналов в код, поэтапно описано моделирование преобразователя с использованием логических элементов и с использованием микроконтроллера.

Существующие на данный момент модели и схемы для преобразования сигналов электромагнитного датчика в код и их описание не представляют достаточных технических подробностей для разработки преобразователя с применением детализированных методов и точно заданных параметров. Разработанный преобразователь угловых перемещений вала в код является универсальным решением для разработки преобразователей в различных областях применения. Подробный анализ применения методов преобразования угловых перемещений вала в код и методов преобразования сдвига фаз сигналов в код предоставляет теоретическую базу для доработки преобразования и изменения его параметров.

Данная выпускная квалификационная работа является групповым проектом. Работа включает в себя как общие задачи для обоих студентов, так и индивидуальные. Обзорно аналитическая часть работы (глава 1) посвящена анализу способов преобразования сдвига фаз сигналов в код (глава 1, пункт 1.2), который провел студент Владимир Симонов и анализу способов преобразования угловых перемещений вала в сдвиг фаз (глава 1, пункт 1.3), который провел студент Андрей Ефимов. Функциональная часть работы состоит из нескольких этапов.

Первый этап -- расчет метрологических параметров преобразователя (глава 2, пункт 2.1), содержит описание функциональных требований к параметрам разрабатываемого преобразователя, решение этой задачи описано Андреем Ефимовым. На основании этого пункта были сформулированы требования к параметрам преобразователя. В следующий пункте функциональной части работы описана разработка функциональной схемы преобразователя (глава 2, пункт 2.2), к работе приложена разработанная в программе Splan функциональная схема преобразователя (приложение 1). Студент Владимир Симонов произвел моделирование преобразователя, описанное в следующем пункте (глава 2, пункт 2.3).

Разработка принципиальной схемы на микроконтроллере (глава 2, пункт 2.4) включает в себя анализ типов программируемых плат (глава 2, пункт 2.4.1), описание особенностей микроконтроллера Atmega 328 (глава 2, пункт 2.4.2) и схемотехническое моделирование преобразователя (глава 2, пункт 2.4.3), основанное на выборе программируемой платы и дополнительных модулей. Задача разработки программного модуля индикации угла для микроконтроллера (глава 2, пункт 2.4.4) решена и описана Андреем Ефимовым. В следующем пункте функциональной части работы Владимир Симонов описывает алгоритм работы модуля преобразования фазы в код для микроконтроллера (глава 2, пункт 2.4.5), приводит часть листинга кода для решения данной задачи в Arduino IDE (рис. 28) и блок-схему программы преобразователя (рис. 29). Сборка и настройка макетного образца преобразователя (глава 2, пункт 2.4.6) произведена согласно описанным в предыдущих пунктах техническим решениям.