Прибор для измерения давления (датчик давления)

Размещено на http://www.allbest.ru/

Введение

Датчик давления -- это измерительное устройство, с изменяемыми физическими параметрами. Суть работы заключается в том, что го параметры меняются в зависимости от давления среды (измеряться может давление пара или другого газа, а также жидкости). Устройство преобразует давление в электрический или пневматический сигнал, а также в цифровой код. Помимо преобразования давления, данный вид датчика служит для измерения перепада давлений и разряжений. Датчики (преобразователи) давления применяются для контроля давления практически во всех отраслях промышленности и народного хозяйства. Нужно особо отметить, что давление является важным параметром любого технологического процесса и одной из ведущих теплотехнических величин.

Почти 70 % всех измерений, выполняемых в науке, промышленности и сельском хозяйстве, связаны с измерениями давления, расхода, количества и уровня веществ.

Давление и расход являются основными рабочими параметрами, точность и надежность измерения которых определяет ценность результатов экспериментальных исследований в гидро- и газодинамике; качество технологических процессов в химической, пищевой и бумажной промышленности; оптимальные режимы работы объектов в ракетной технике и авиации, энергетике и транспорте; эффективность систем добычи и переработки нефти и нефтепродуктов.

Точные измерения количества и уровня веществ лежат в основе учета и планирования продукции, определяют рациональные режимы транс-портирования и распределения нефти и нефтепродуктов, необходимы для дальнейшего развития химической и топливной промышленности.

Разнообразие требований к технике измерений давления, расхода, количества и уровня веществ, обусловленное спецификой научного поиска и производства в различных отраслях народного хозяйства, различные физико-химические свойства измеряемых средств способствовали появлению, разработке и внедрению в практику множества различных методов и средств измерений этих величин. Пожалуй, ни в каких других областях измерений нет такого обилия научных идей и технических решений, как в областях измерений давления, расхода, количества и уровня. Почти все физические явления и закономерности, открытые давно или недавно, воплощаются в современной технике измерения этих величин.

Понять физические принципы измерений, научиться распознавать причины и источники возможных погрешностей измерений, а следовательно, научиться грамотно измерять и проводить метрологическое обслуживание средств измерений -- такова основная задача. Поэтому основное внимание уделено физическим явлениям, лежащим в основе методов измерений; оценке методических погрешностей и обоснованию предпочтительных областей и условий применения тех или иных измерительных устройств. Кроме того, достаточно широко освещены вопросы метрологического обслуживания этих измерительных устройств. Это связано с тем, что на сегодняшний день, несмотря на ряд успешно проведенных работ, эталонные и образцовые базы этих областей измерений (более или менее благополучно обстоят дела лишь в области измерения давления) все еще отстают от потребностей науки и производства и их совершенствование так же, как и совершенствование приемов и принципов метрологического обслуживания средств измерений является главной, первоочередной задачей метрологов любой квалификации, специализирующихся в этих областях измерений.Измерение давления необходимо практически в любой области науки и техники как при изучении происходящих в природе физических процессов, так и для нормального функционирования технических устройств и технологических процессов, созданных человеком. Давление определяет состояние веществ в природе (твердое тело, жидкость, газ). Под его действием происходили глобальные процессы внутри Земли, в результате которых образовались водная и воздушная ее оболочки, твердая кора. Указанные процессы продолжаются и в настоящее время. Так, под действием давления при извержении вулканов из недр Земли изливаются потоки расплавленной магмы, а в водную и воздушную оболочки поступают большие количества газообразных веществ. Перепады давления в атмосфере приводят в движение огромные массы воздуха, воздействуя тем самым на формирование погоды и на процессы взаимодействия, происходящие в атмосфере и мировом океане. Чрезвычайно многообразно применение давления в науке, технике и производстве. Энергетические возможности тепло- и гидроэлектростанций и атомных электростанций определяются давлением пара или воды на лопости турбин, под действием давления по каналам и трубопроводам на тысячи километров транспортируется вода, нефть и газ. Давление приводит в движение автомобили и самолеты, геодезические ракеты и космические корабли, открывает и закрывает двери лифта, вагонов метропоездов, троллейбусов и автобусов, подает воду и газ в квартиры наших домов. Посредством давления осуществляется работа разнообразных станков, механизмов и установок в различных отраслях производства. Например, в крупнейшем в Европе советском штамповочном прессе, установленном в г. Иссуар (Франция), давление создает гигантское усилие в 6,5*108 Н (около 6500 тонны-силы); давление заставляет со скоростью 60 м/ч „шагать" самый большой в Европе экскаватор ЭШ-100.100 высотой 25-этажного здания, вес которого превосходит вес знаменитой

Эйфелевой башни в Париже (более 10000 т). По давлению контролируют состояние рабочих сред в различных технологических процессах нефтехимической промышленности, при производстве искусственных волокон и пр. Во многих отраслях науки при проведении физических, термодинамических и метрологических исследований (определение концентрации газов в твердых веществах, констант уравнений состояния различных веществ, эталонные температурные и линейные измерения) также требуется измерять давление.

Технические характеристики.

Общие технические характеристики датчика давления:

измеряемые среды- жидкость, пар, газ;

диапазон измеряемых давлений - 0.01...100МПа;

перегрузочная способностьне менее 300%;

выходной сигнал 4-20мА; 0.4-4В; 0.4-2В; RS-485; 1-Wire;

температура окружающей средыот -50 до +80°С;

температура измеряемой среды от -50 до +110°С;

исполнение-общепромышленное, взрывозащищенное;

cтепень пылевлагозащищенностиIP 65, IP 54, IP68;

исполнение - стандартный штуцер, «открытая мембрана»;

корпус датчиков - нержавеющая сталь;

дополнительная температурная погрешность0.15% и 0.1% для цифровых датчиков;

материалы мембраны: титановый сплав, сталь 36 НХТЮ;

1. Обзор методов и единиц измерения давления

1.1 Единицы измерения давления

Давление является производной физической величиной, определяемой тремя основными физическими величинами -- массой, длиной и временем. Конкретная реализация значения давления зависит от способа воспроизведения единицы давления. При измерении по формуле давление определяется силой и площадью. Методы определения давления, основанные на измерении указанных величин, являются абсолютными (фундаментальными) методами и применяются при воспроизведении единицы давления эталонами грузопоршневого и жидкостного типа, а также позволяют, при необходимости, производить аттестацию образцовых средств измерений.

Давление является одной из характеристик состояния жидких и газообразных тел. Давление представляет собой распределенную силу, действующую нормально к поверхности, которая омывается газом или жидкостью. В связи с этим единица давления должна представлять производную от единиц силы и площади.

В практике технических измерений в качестве единицы давления чаще всего применяется техническая атмосфера. Эта величина определяется как давление, испытываемое плоской поверхностью с поперечным сечением в один квадратный сантиметр под действием равномерно распределенной нагрузки в один килограмм. Техническая атмосфера обозначается ат и равна 1 кгс/см2 (98066,5 н/м2). Кроме технической атмосферы, применяются и другие единицы давления. Для измерения малых давлений и перепадов давления служат единицы в мм рт. ст., мм вод. ст. и м вод. ст.1 мм. рт. ст. определяется как давление, оказываемое на горизонтальную поверхность столбиком ртути высотой в .1 мм при ускорении свободного падения 980,665 см/сек2 и температуре 0°С.1 мм. под. ст. определяется как давление водяного столбика высотой в 1 мм при том же ускорении и при температуре + 4°С. Между технической атмосферой и этими единицами давления существует зависимость:1 кгс/см2 = 735,56 мм рт. ст.; 1 кгс/см2=10 м. вод. ст. = 10000 мм вод. ст.Нормальной величиной атмосферного давления принято давление 760 мм. рт. ст., которое (называется физической атмосферой и обозначается атм. Вес столба ртути высотой 760 мм при площади поперечного сечения 1 см2 равен 1,033 кгс. Отсюда 1 атм-- 1,033 кгс/см2=760 мм рт. ст. = 10,333 м вод. ст., а 1 кгс/см2 = 0,968 атм.

Достоинством единиц измерения мм рт. ст. и мм вод. ст. является их наглядность н удобство применения для градуировки жидкостных приборов. Недостаток этих единиц заключается в том, что они не имеют размерности давления и величина давления соответствует высоте столба жидкости только при определенных температурах (0 или + 4°С) и при ускорении свободного падения, принятых в определении этих единиц. Если не вносить на эти величины поправки, то это влечет за собой погрешность.В метеорологии применяется единица давления миллибар, которая, является производной от бара (1 бар). Техническая атмосфера и эти единицы находятся по отношению друг к другу в следующей зависимости:

1 кгс/см2 = 0,981 бар - 981 мбар; 1 мбар - 0,001 бар -- 1,02 *103 кгс/см2.

В научных н технических измерениях в зависимости от природы контролируемого процесса или исследуемого явления берется или абсолютное давление, или избыточное давление.

При измерении абсолютного давления за начало отсчета принимается абсолютный нуль давления, который можно представить как давление внутри сосуда после полной откачки из пего воздуха, т. е. как давление “пустоты”. Для измерения абсолютного давления применяются манометры абсолютного давления. Абсолютное давление атмосферы измеряется барометрами, и поэтому атмосферное давление часто называется барометрическим.

Избыточное давление -- это разность между абсолютным и барометрическим давлениями. При этом подразумевается, что абсолютное давление среды выше атмосферного и они между собой связаны соотношением

Р=Ра - Рб. (1)

Избыточное давление измеряется в кгс/см2, а при малой величине -- ,в мм рт. ст. или мм вод. ст. Приборы, измеряющие избыточное давление, называются манометрами.

Если абсолютное давление меньше атмосферного, то избыточное давление окажется отрицательным, и в этом случае оно называется вакуумметрическим давлением

Рв= Рб -Ра, (2)

где Ра - вакуумметрическое давление (Ра < Рб ).

Вакуумметрическое давление измеряется в мм рт. ст. или мм вод. ст. Для измерения вакуумметрического давления применяются приборы, называемые вакуумметрами.

Способы измерения давлении основываются главным образом на уравновешивании действующих усилий при помощи столба жидкости или за счет деформации различного рода пружин

Относительный метод измерений, в отличие от абсолютного, основан на предварительном исследовании зависимости от давления физических свойств и параметров чувствительных элементов средств измерения дав ления при методах прямых, измерений или других физических величин и свойств измеряемой среды -- при методах косвенных измерений.

Например, деформационные манометры перед их применением для измерения давления должны быть сначала отградуированы по образцовым средствам измерений соответствующей точности

1.2 Краткие сведения о погрешностях

Выбор того или иного метода измерения зависит от характера измеряемой величины, необходимой точности измерения и от измерительной аппаратуры.

Как бы совершенны ни были измерительные приборы и методы измерений все же они дают лишь приближенные значения измеряемых величин. Отклонения результатов измерений от действительного значения измеряемой величины называется погрешностью измерения.

За действительное значение измеряемой величины принимается величина, измеренная образцовым прибором.

Разность между показанием прибора и действительным значением измеряемой величины называется абсолютной по-, грешностью и определяется по формуле:

А = А - Ад , (3)

где А - абсолютная погрешность; А - показание прибора;

Ад-действительное значение измеряемой величины. Абсолютная погрешность, взятая с обратным знаком, носит название поправки,

т.е.

С = -А, (4)

Поправка С есть величина, которую необходимо алгебраически прибавить к показанию прибора, чтобы получить действительное значение измеряемой величины.

Отношение абсолютной погрешности к действительному значению измеряемой величины называется относительной погрешностью и выражается в процентах

Приведенной погрешностью называется отношение абсолютной погрешности к верхнему пределу измерения прибора, выраженное в процентах.

Для приборов с двухсторонней шкалой приведенная погрешность определяется в процентах от суммы пределов измерения, а для приборов с безнулевой шкалой -- в процентах от разности пределов измерений.

При классификации приборов по степени точности различают два вида погрешностей -- основную и дополнительную.

Основной погрешностью прибора называется его погрешность при нормальных условиях, когда внешние неблагоприятные факторы отсутствуют или их влияние сведено к минимуму. Эта погрешность обусловливается несовершенством конструкции и сборки прибора; главными факторами ее являются трение в опорах подвижной части, неточность градуировки и вычерчивания шкалы.

Дополнительной погрешностью называется погрешность показания, вызываемая воздействием внешних условий на прибор при отклонении от нормальных условий работы, а именно: температуры окружающей среды, влажности воздуха, вибрации, тряски и т. п.

Степень точности приборов легла в основу их разделения па классы. Класс точности измерительных приборов характеризуется уровнем допускаемой погрешности. К основным характеристикам относятся также вариации показаний. Вариация показаний измерительного прибора -- это наибольшая находимая экспериментальная разность между повторными показаниями измерительного прибора, соответствующими одному и тому же действительному значению измеряемой им величины при неизменных внешних условиях.

У показывающих приборов вариацию можно обнаружить, если произвести ряд наблюдений, изменяя действительное значение измеряемой величины от наименьшего до наибольшего, а затем в обратном порядке, и отмечая соответствующие этим значениям показания прибора.

Причиной вариации является трение и мертвый ход подвижных частей механизма прибора, неполная упругость пружин и других деталей, подверженных действию сил, изменяющих их форму или размеры.

Вариация более резко выражена у приборов, имеющих механизм, но она существует и у других приборов, как, например у жидкостных термометров и манометров, где сопротивление жидкости движению вызывает отставание показаний.

1.3 Группы приборов

В зависимости от назначения приборы для измерения давления делятся на следующие основные группы:

- манометры -- для измерения избыточного давления;

- мановакуумметры -- для измерения вакуумметрического и избыточного давлений;

- вакуумметры -- для измерения вакуумметрического давления (вакуума);

- барометры -- для измерения атмосферного давления;

- баровакуумметры -- для измерения абсолютного давления;

- дифференциальные манометры -- для измерения разности давлений;

По принципу действия все приборы для измерения давления можно разделить на жидкостные, пружинные, грузопоршневые и с дистанционной передачей показаний.

Приборы, в которых измеряемое давление уравновешивается весом столба жидкости, а изменение уровнен жидкости в сообщающихся сосудах служит мерой давления, называются жидкостными. К этой группе относятся чашечные и U-образные манометры, дифманометры и др.

Пружинными приборами называются приборы, в которых измеряемое давление уравновешивается силами упругости пружины, деформация которой служит мерой давления. К этой группе относятся разнообразные приборы, отличающиеся по виду пружин (мембраны, сильфоны, манометрические трубки). Благодаря простоте конструкции и удобству пользования пружинные приборы получили широкое применение в технике.

Грузопоршневыми приборами называются приборы, в которых измеряемое давление уравновешивается усилием, создаваемым калиброванными грузами, воздействующими на свободно передвигающийся в цилиндре поршень.

К приборам с дистанционной передачей показаний относятся приборы, в которых используются изменения тех или иных электрических свойств вещества (электрического сопротивления проводников, электрической емкости, возникновение электрических зарядов на поверхности кристаллических минералов и др.) под действием измеряемого давления. К таким приборам относятся манганиновые манометры сопротивления, пьезоэлектрические манометры с применением кристаллов кварца, турмалина или сегнетовой соли, емкостные манометры, ионизационные манометры и др.

По метрологическому назначению измерительные приборы делятся на образцовые и рабочие.

Образцовыми измерительными приборами называются приборы, предназначенные для поверки других измерительных приборов. Образцовые манометры имеют следующие классы точности :0,05; 0,2 -- грузопоршневые манометры; 0,16; 0,25; 0,4 -- пружинные манометры.

Рабочими измерительными приборами называются все измерительные приборы, служащие для непосредственных измерений. Рабочие манометры имеют классы точности 0,5; 1; 1,5; 2,5; 4

1.4 Методы измерения давления

Методы измерения давления во многом предопределяют как принципы действия, так и конструктивные особенности средств измерений. В этой связи в первую очередь следует остановиться на наиболее общих методологических вопросах техники измерения давления.

Давление, исходя из самых общих позиций, может быть определено как путем его непосредственного измерения, так и посредством измерения другой физической величины, функционально связанной с измеряемым давлением. В первом случае измеряемое давление воздействует непосредственно на чувствительный элемент прибора, который передает информацию о значении давления последующим звеньям измерительной цепи, преобразующим ее в требуемую форму. Этот метод определения давления является методом прямых измерений и получил наибольшее распространение в технике измерения давления. На нем основаны принципы действия большинства манометров и измерительных преобразователей давления.

Во втором случае непосредственно измеряются другие физические величины или параметры, характеризующие физические свойства измеряемой среды, значения которых закономерно связаны с давлением (температура кипения жидкости, скорость распространения ультразвука, теплопроводность газа и т. д.). Этот метод является методом косвенных измерений давления и применяется, как правило, в тех случаях, когда прямой метод по тем или иным причинам неприменим, например, при измерении сверхнизкого давления (вакуумная техника) или при измерении высоких и сверхвысоких давлений. Методологически не менее важен и вопрос о способе, которым средство измерений воспроизводит единицу давления, что непосредственно сказывается на его функциональных возможностях.

Давление является производной физической величиной, определяемой тремя основными физическими величинами -- массой, длиной и временем. Конкретная реализация значения давления зависит от способа воспроизведения единицы давления. При измерении по формуле давление определяется силой и площадью. Методы определения давления, основанные на измерении указанных величин, являются абсолютными (фундаментальными) методами и применяются при воспроизведении единицы давления эталонами грузопоршневого и жидкостного типа, а также позволяют, при необходимости, производить аттестацию образцовых средств измерений.

Относительный метод измерений, в отличие от абсолютного, основан на предварительном исследовании зависимости от давления физических свойств и параметров чувствительных элементов средств измерения давления при методах прямых, измерений или других физических величин и свойств измеряемой среды -- при методах косвенных измерений. Например, деформационные манометры перед их применением для измерения давления должны быть сначала отградуированы по образцовым средствам измерений соответствующей точности. Помимо классификации по основным методам измерений и видам давления, средства измерений давления классифицируют по принципу действия, функциональному назначению, диапазону и точности измерений. Наиболее существенный классификационный признак -- принцип действия средства измерения давления, в соответствии с ним и построено дальнейшее изложение.

Современные средства измерений давления представляют собой измерительные системы, звенья которых имеют различное функциональное назначение. Важнейшим звеном любого средства измерения давления является его чувствительный элемент (ЧЭ), который воспринимает измеряемое давление и преобразует его в первичный сигнал, поступающий в измерительную цепь прибора. С помощью промежуточных преобразователей сигнал от. ЧЭ преобразуется -в показания манометра или регистрируется им, а в измерительных преобразователях (ИПД) -- в унифицированный выходной сигнал, поступающий в системы измерения, контроля, регулирования и управления. При этом промежуточные преобразователи и вторичные приборы во многих случаях унифицированы и могут применяться в сочетании с ЧЭ различных типов. Поэтому принципиальные особенности манометров и ИПД зависят, в первую очередь, от типа ЧЭ.

2. Обзор методов построения элементов прибора

2.1 Обзор методов построения ЦП

прибор датчик измерение давление

Центрамльный процемссор - электронный блок либо микросхема-исполнитель машинных инструкций (кода программ), главная часть аппаратного обеспечения программируемого логического контроллера. Иногда называют микропроцессором или просто процессором.

Изначально термин центральное процессорное устройство описывал специализированный класс логических машин, предназначенных для выполнения сложных компьютерных программ. Вследствие довольно точного соответствия этого назначения функциям существовавших в то время компьютерных процессоров, он естественным образом был перенесён на сами компьютеры. Начало применения термина и его аббревиатуры по отношению к компьютерным системам было положено в 1960-е годы. Устройство, архитектура и реализация процессоров с тех пор неоднократно менялись, однако их основные исполняемые функции остались теми же, что и прежде.

Большинство современных процессоров в общем основаны на той или иной версии циклического процесса последовательной обработки данных, изобретённого Джоном фон Нейманом. В различных архитектурах и для различных команд могут потребоваться дополнительные этапы. Например, для арифметических команд могут потребоваться дополнительные обращения к памяти, во время которых производится считывание операндов и запись результатов.

Этапы цикла выполнения:

Процессор выставляет число, хранящееся в регистре счётчика команд, на шину адреса и отдаёт памяти команду чтения.

Процессор получает число с шины данных, интерпретирует его как команду (машинную инструкцию) из своей системы команд и исполняет её. Если последняя команда не является командой перехода, процессор увеличивает на единицу (в предположении, что длина каждой команды равна единице) число, хранящееся в счётчике команд; в результате там образуется адрес следующей команды. Данный цикл выполняется неизменно, и именно он называется процессом (откуда и произошло название устройства). Во время процесса процессор считывает последовательность команд, содержащихся в памяти, и исполняет их. Такая последовательность команд называется программой и представляет алгоритм работы процессора. Очерёдность считывания команд изменяется в случае, если процессор считывает команду перехода, -- тогда адрес следующей команды может оказаться другим. Другим примером изменения процесса может служить случай получения команды остановка или переключение в режим обработки прерывания.

Команды центрального процессора являются самым нижним уровнем управления компьютером, поэтому выполнение каждой команды неизбежно и безусловно. Не производится никакой проверки на допустимость выполняемых действий, в частности, не проверяется возможная потеря ценных данных. Чтобы компьютер выполнял только допустимые действия, команды должны быть соответствующим образом организованы в виде необходимой программы. Скорость перехода от одного этапа цикла к другому определяется тактовым генератором. Тактовый генератор вырабатывает импульсы, служащие ритмом для центрального процессора. Частота тактовых импульсов называется тактовой частотой. Процессор осуществляет непосредственно обработку данных и программное управление процессом обработки данных. Он синтезируется в виде соединения двух устройств: операционного и управляющего.

Операционное устройство (ОУ) - устройство, в котором выполняются операции. Оно включает в качестве узлов регистры, сумматоры, каналы передачи информации, мультиплексоры для коммутации каналов, шифраторы, дешифраторы и т. д. Управляющее устройство (УУ) координирует действия узлов операционного устройства; оно вырабатывает в некотором временной последовательности управляющие сигналы, под действием которых в узлах операционного устройства выполняются требуемые действия. Процесс функционирования операционного устройства распадается на последовательность элементарных действий в его узлах:

1) установка регистра в некоторое состояние (например, запись в регистр R1 числа 0, обозначаемая R1 < 0);

2) инвертирование содержимого разрядов регистра (например, если регистр R2 содержал двоичное число 101101, то после инвертирования его содержимое будет равно 010010; такое действие обозначают R2 < ());

3) пересылка содержимого одного узла в другой (например, пересылка содержимого регистра R2 в регистр R1, обозначаемая R1 < (R2));

4) сдвиг содержимого узла влево, вправо (например, сдвиг на один разряд влево содержимого регистра R1, обозначаемый R1 < СдвЛ (R1));

5) счет, при котором число в счетчике (регистре) возрастает или убывает на единицу (Сч < (Сч ±1));

6) сложение (например, R2 < (R2) + (R1));

7) сравнение содержимого регистра на равенство с некоторым числом; результат сравнения: лог.1 (при выполнении равенства) либо лог.0 (при невыполнении равенства);

8) некоторые логические действия (поразрядно выполняемые операции конъюнкции, дизъюнкции и др.).

Каждое такое элементарное действие, выполняемое в одном из узлов ОУ в течение одного тактового периода, называется микрооперацией.

В определенные тактовые периоды одновременно могут выполняться несколько микроопераций, например R2 < 0, Сч < (Сч)-1. Такая совокупность одновременно выполняемых микроопераций называется микрокомандой, а весь набор микрокоманд, предназначенный для решения определенной задачи, - микропрограммой. Таким образом, если в операционном устройстве предусматривается возможность исполнения n различных микроопераций, то из управляющего устройства выходят n управляющих цепей, каждая из которых соответствует определенной микрооперации. И если необходимо в операционном устройстве выполнить некоторую микрооперацию, достаточно из управляющего устройства по определенной управляющей цепи, соответствующей этой микрооперации, подать сигнал (например, напряжение уровня лог. 1). В силу того, что управляющее устройство определяет микропрограмму, т.е. какие и в какой временной последовательности должны выполняться микрооперации, оно получило название микропрограммного автомата.

2.2 Обзор задающих устройств

Теория автоматического управления (ТАУ) появилась во второй половине 19 века сначала как теория регулирования. Широкое применение паровых машин вызвало потребность в регуляторах, то есть в специальных устройствах, поддерживающих устойчивый режим работы паровой машины. Это дало начало научным исследованиям в области управления техническими объектами. Оказалось, что результаты и выводы данной теории могут быть применимы к управлению объектами различной природы с различными принципами действия. В настоящее время сфера ее влияния расширилась на анализ динамики таких систем, как экономические, социальные и т.п. Поэтому прежнее название “Теория автоматического регулирования” заменено на более широкое - “Теория автоматического управления”.Управление каким-либо объектом (объект управления будем обозначать ОУ) есть воздействие на него в целях достижения требуемых состояний или процессов. В качестве ОУ может служить самолет, станок, электродвигатель и т.п. Управление объектом с помощью технических средств без участия человека называется автоматическим управлением. Совокупность ОУ и средств автоматического управления называется системой автоматического управления (САУ). Основной задачей автоматического управления является поддержание определенного закона изменения одной или нескольких физических величин, характеризующих процессы, протекающие в ОУ, без непосредственного участия человека. Эти величины называются управляемыми величинами. Если в качестве ОУ рассматривается хлебопекарная печь, то управляемой величиной будет температура, которая должна изменяться по заданной программе в соответствии с требованиями технологического процесса.

Задающим устройством (ЗУ) называется устройство, задающее программу изменения управляющего воздействия, то есть формирующее задающий сигнал uо(t). В простейшем случае uо(t)=const. ЗУ может быть выполнено в виде отдельного устройства, быть встроенным в УУ или же вообще отсутствовать. В качестве ЗУ может выступать кулачковый механизм, магнитофонная лента, маятник в часах, задающий профиль и т.п. Роль УУ и ЗУ может исполнять человек. Однако это уже не САУ

2.3 Обзор методов построения устройств памяти

Интерфейс памяти с 3 шинами МПС. Рассмотрим связь микропроцессорной системы с тремя шинами с ПЗУ или статическим ОЗУ. При разработке микропроцессорной системы необходимо учитывать, по каким линиям передается информация в различные моменты времени, т. е. когда эти линии находятся в возбужденном состоянии. На рисунок 1,а показан путь потока данных при выполнении операции записи данных в память. Данные с выхода микропроцессора через буфер поступают на адресный вход памяти. Правильность прохождения данных от источника, который их вырабатывает, к приемнику, в который они записываются, может быть легко проверена с помощью измерения электрических параметров передаваемых и принимаемых сигналов.

При выполнении операции чтения данных из памяти поток данных направлен к микропроцессорной системе так в соответствии с рисунком 1 Поступающие на вход микропроцессора данные проходят через буфер памяти и двунаправленный буфер шины данных. Источником данных в этом случае является системная память, а приемником -- ЦП. Если микропроцессорная система работает в режиме считывания, то правильность прохождения данных в системе можно проверить, выдавая данные из источника и контролируя их поступление в приемник. Если данные не достигли приемника, то линии связи имеют какой-то дефект. Временная диаграмма цикла обращения к памяти будет рассмотрена ниже.

Рисунок 1- Передача буферированных данных при записи в память (а) и при считывании данных из памяти (б):/ -- буфер данных; //--шина данных; /// -- вход памяти; IV-- двунаправленный буфер шины данных, И--буфер памяти; VI-- выход памяти

2.4 Описание работы и конструкции блока памяти

2.4.1 Передача адреса и буферированных данных из ПЗУ

На рисунке 2 показаны направления передачи адреса и данных при выполнении операции чтения данных из ПЗУ. Адрес передается из ЦП по шине данных на адресные входы ПЗУ. Этот адрес задает адрес ячейки памяти, информация из которой должна быть передана в ЦП. Состоянием шины адреса управляет микропроцессор, а состоянием шины данных -- ПЗУ. При рассмотрении любых системных операций необходимо четко представлять, какое из устройств, связанных системными шинами, является источником и какое приемником данных.

Рассмотрим систему памяти на основе ПЗУ, состоящую из двух ИС памяти -- ПЗУ1 и ПЗУ2 (представлено на рисунке 3). Линии вывода данных этих устройств соединяются параллельно, поэтому они не должны одновременно осуществлять выдачу данных. Когда одно ПЗУ, выбранное с помощью адреса, подаваемого по системной шине адреса, осуществляет выдачу данных, другое ПЗУ должно иметь большое входное сопротивление.

Шина данных памяти представляет собой отдельную шину, которую при необходимости можно использовать в микропроцессорной системе. Она сконструирована таким образом, что при выдаче данных из ПЗУ системная шина данных не возбуждается. Максимальная нагрузка на шину данных памяти создается входными токами ее буферов и токами соединенных с ней устройств, имеющих три состояния.

Рисунок 2- Передача небуферированных данных



Рисунок 3- Структурная схема памяти на двух ПЗУ (а) и обозначения системной шины с восемью шинами передачи сигналов (б)

Если к системной шине данных подключено много параллельных нагрузок, общий ток может превзойти 10 мА. Большинство устройств памяти вырабатывает токи около 1,6 мА. Чтобы избежать перегрузки выходов ИС запоминающих устройств, применяется буферирование шины данных.

Когда по системной шине адреса поступает адрес устройства памяти, то информация с выхода выбранного запоминающего устройства подается на шину данных памяти. На рисунке 3(а) показана схема формирования сигналов разрешения обращения к памяти, а па рисунке 3(б) -- конкретная ИС, которая может выполнять эту функцию. Оба сигнала выбора запоминающих устройств можно получить с помощью дешифратора 7442, преобразующего двоично-кодированные десятичные числа в десятично-кодированные.

Если разряды ВАМ -- ВАН имеют значение 0000, дешифратор вырабатывает сигнал выбора ПЗУ1, если разряды ВА14 -- ВАН имеют значение 0001, то дешифратор вырабатывает сигнал выбора ПЗУ2. Разряды ВАП -- ВАН являются разрядами полного адреса памяти. Адресное пространство ПЗУ1 включает адреса OOO16-- 07FFl6 и позволяет адресовать 2048 ячеек памяти. Адресное пространство ПЗУ2 начинается с адреса, следующего за последним адресом ПЗУ1, и содержит адреса 080016 -- 0FFFi6 которые также позволяют адресовать 2048 ячеек памяти.

Рисунок 4- Дешифровка системного адреса для формирования сигналов выбора ПЗУ: а)общая схема; б)ИС 7442

Информационные выходы двух ПЗУ соединены между собой (представлено на рисунке 5): вывод DO ПЗУ1 соединяется с выводом DO ПЗУ2 и т.д. С помощью адресной шины в любой момент времени выбирается только одно ПЗУ, поэтому па шину данных памяти, образованную общими выходами ПЗУ, поступают данные только из одного ПЗУ. Между шиной данных памяти и системной шиной данных включается буфер данных.



Рисунок 5-Система управления.

Сигналы выбора устройств, используемые в микропроцессорной системе: /--шина данных памяти; //--буфер памяти; MEMR-- сигнал управления. Когда ЦП готов к приему данных, к буферу данных памяти по системной шине управления передается управляющий сигнал MEMR (логический 0). Этот сигнал разрешает передачу данных с шины данных памяти на системную шину данных. Данные из ПЗУ выдаются на шину данных памяти сразу же, как только микропроцессор вырабатывает адрес ячейки памяти.

2.4.2 Передача небуферированных данных из ПЗУ

Если допустимый выходной ток шины данных более 1 мА, считываемые из памяти данные не нужно буферировать и шина данных памяти не используется. Выходы ПЗУ объединяются так же, как описано выше, т. е. DO с DO, D1 с D1 и т. д., а затем соединяются с системной шиной данных.

Выдача данных из памяти на системную шину данных осуществляется только тогда, когда микропроцессор готов к их приему. В схеме, показанной на рис. 6 выдача данных выполняется с помощью буфера данных. Если буфер данных не используется, то выдачу данных нужно осуществлять иначе (в соответствии с рисунком 7). Сигналы выбора ПЗУ поступают с шины адреса не на входы CS ПЗУ, а на логические схемы ИЛИ. Эти схемы обеспечивают выдачу сигналов выбора устройства на входы CS только тогда, когда ЦП запрашивает данные.

Рисунок 6- Передача небуферированных данных па системную шину данных: /--выбор ПЗУ1; // -- выбор ПЗУ2; /// -- системная шина данных.

Рисунок 7-Схема выдачи небуферированпых данных для ЭППЗУ 2716 (вывод 20 -- ОЕ, вывод 18 --С5): /--выбор ПЗУ1; // -- выбор ПЗУ2; ///-- системная шина данных; MEMR-снгнзл с системной иины управления; OE --вывод 20; CS --вывод 18

Активным уровнем сигнала выбора ПЗУ1 или ПЗУ2 является уровень логического 0. Когда микропроцессор готов к приему данных, он вырабатывает сигнал MEMR, равный логическому 0. Когда сигнал MEMR и один из сигналов выбора ПЗУ равны логическому 0, выбранное ПЗУ выдает данные на системную шину данных. Другая схема выдачи небуферированных данных на системную шину данных показана на рис. 7. При реализации такой схемы нужно использовать ПЗУ определенных типов, имеющие соответствующую внутреннюю архитектуру. Одним из пригодных устройств является ЭППЗУ 2716. Устройства ПЗУ1 и ПЗУ2 имеют дополнительный вход разрешения вывода данных ОЕ. Данные выдаются из ПЗУ только тогда, когда на входы CS

и ОЕ подан логический 0. Сигнал MEMR вырабатывается, когда микропроцессор готов к приему данных.К моменту появления сигнала MEMR на входе ОЕ навходе CS уже стоит логический 0 и ПЗУ начинает выдачу данных на шину данных.

2.4.3 Передача данных при использовании статических ОЗУ с раздельными линиями ввода и вывода данных

Статические ОЗУ можно разделить на две группы. К первой группе относятся ОЗУ, в которых для ввода-вывода данных используются разные выводы корпуса ИС (показано на рисунке 8а). Ко второй группе относятся ОЗУ, в которых для ввода-вывода данных используются одни и те же выводы корпуса ИС. Эти два типа ОЗУ обычно называют соответственно ОЗУ с раздельным вводом-выводом данных и ОЗУ с общим вводом-выводом данных. Ниже описаны интерфейсы для ОЗУ обоих типов. При выполнении операции записи в ОЗУ с раздельным вводом-выводом данные с выхода микропроцессора (источника данных) поступают на входы двунаправленных буферов шины данных. Выходы этих буферов соединяются с системной шиной данных //.



Рисунок 8-Статическое ОЗУ: а) - с раздельными линиями ввода I и вывода II данных; б) - с общими линиями ввода-вывода данных III

Рисунок 9-Передача данных при выполнении операции в ОЗУ с раздельными линиями ввода-вывода.

Линии ввода и вывода данных ОЗУ с раздельным вводом-выводом также соединяются с системной шиной данных //. Передаваемые по шине // сигналы постоянно поступают на входы статического ОЗУ (приемника данных), но не записываются до тех пор, пока не подается сигнал разрешения записи данных в память.

При выполнении операции чтения (представлено на рис. 9) данные с выходных линий ОЗУ (источника данных) поступают па системную шину данных. Линии вывода данных ОЗУ соединяются не с системной шиной данных //, а с трех-стабильными буферами V. Во время выполнения операции чтения, когда микропроцессор вырабатывает сигнал разрешения чтения данных VI, буферы V пропускают выводимые из ОЗУ данные на системную шину данных //. Операция выполняется точно так же, как и чтение данных из ПЗУ. Шина данных // соединяется со входами двунаправленных буферов данных /, с выхода которых данные поступают в микропроцессор (приемник данных). Если операция чтения не выполняется, то буфер находится в третьем состоянии (большое входное сопротивление) и служит изолятором между входными и выходными линиями ОЗУ.

Рисунок 10-Передача данных при выполнении операции чтения из ОЗУ с раздельными линиями ввода-вывода.

Рисунок 11-Сигналы управления при выполнении операции записи данных в ОЗУ с раздельными линиями ввода-вывода.

Считывание и запись данных в ОЗУ с раздельным вводом-выводом. При выполнении операции записи источником данных является микропроцессор. Данные с выхода микропроцессора поступают на двунаправленные буферы данных /, выходы которых соединяются с системной шиной данных //. По шине // данные поступают непосредственно на вход ОЗУ ///. Сигнал выбора ОЗУ IV подается на вход CS ОЗУ точно так же, как и при выборе ПЗУ, т. е. адрес, поступающий с шины адреса, дешифруется, и вырабатывается сигнал разрешения записи или выбора устройства памяти CS.

При записи данных в память сигнал MEMR равен логической 1 и буферы VI не пропускают данные с выхода ОЗУ на системную шину данных //. Чтобы осуществить запись данных в память, необходимо подать сигнал разрешения записи WE, вырабатываемый микропроцессором. Если микропроцессор готов к записи данных в память, он выдает сигнал управления MEMW.

При выполнении операции чтения данных из памяти источником данных является ОЗУ, а приемником- микропроцессор.

Выводимые из ОЗУ данные поступают на входы буферов данных памяти VI. Эти буферы открываются сигналом управления MEMR, поступающим из микропроцессора. Выход буфера VI соединяется с системной шиной данных //. По шине // данные передаются на входы двунаправленных буферов данных /, а с выходов этих буферов поступают в микропроцессор.

Чтобы привести ОЗУ в рабочее состояние, необходимо осуществить выбор устройства. Это делается с помощью дешифрования адреса, поступающего с шины адреса, и подачи сигнала выбора устройства на конкретную схему ОЗУ. При выполнении операции чтения данных из памяти микропроцессор не вырабатывает сигнала MEMW.

2.4.4 Передача данных в ОЗУ с общим вводом-выводом данных

Для передачи данных из ОЗУ с общим вводом-выводом при выполнении операции чтения линии ввода-вывода ОЗУ соединяются непосредственно с системной шиной данных. Соединение (без буферов) возможно в том случае, если выходной ток ЗУ достаточен для возбуждения системной шины данных. Во время выполнения операции чтения данных сигнал MEMW отсутствует. Состоянием линий ввода-вывода ОЗУ управляет сигнал CS; когда на вход CS подается логический О, ОЗУ работает в режиме вывода данных на системную шину данных. Выполнение этой операции очень похоже на чтение данных из ПЗУ. Сигнал CS вырабатывается тогда, когда на дешифратор адреса поступает сигнал выбора ОЗУ и микропроцессор выдает сигнал MEMR. Считывать информации из ОЗУ с общим вводом-выводом данных можно точно так же, как из ПЗУ. При работе с такими ОЗУ трудности возникают только при записи в них данных, поскольку при наличии сигнала выбора линии ввода-вывода данных всегда находятся в режиме вывода. Для перевода линий ввода-вывода в режим ввода данных нужно подать сигнал WE. Для правильной работы ОЗУ при записи данных нужно строго выполнять последовательность подачи сигналов управления: сначала подается сигнал WE, а затем сигнал выбора устройства CS. Если эти сигналы подаются в обратном порядке, то может возникнуть ситуация, при которой на системную шину данных одновременно поступит информация из микропроцессора и ОЗУ. При записи в ОЗУ с общим вводом-выводом вход в ОЗУ открывается (CS равен логическому 0) при выполнении операций чтения данных из памяти (когда есть сигнал MEMR и сигнал с выхода дешифратора адреса) и при выполнении операции записи данных в память (когда есть сигнал MEMW и сигнал с выхода дешифратора адреса).

Сигнал CS подается во время выполнения операции записи данных в память только после установки сигнала WE, который переводит общие линии ОЗУ в режим ввода данных. Это условие устраняет возможность возникновения конфликтной ситуации на системной шине данных при использовании ОЗУ с общим вводом-выводом данных. Если ОЗУ может возбуждать системную шину и шину данных, то его линии ввода-вывода соединяются непосредственно с этой шиной. Возможен случай, когда считываемые из ОЗУ данные приходится буферировать. При использовании ОЗУ с раздельными линиями ввода и вывода буферируются только линии вывода данных, поэтому можно использовать однонаправленные буферы. При использовании ОЗУ с общими линиями ввода-вывода данных одни и те же линии используются и для ввода, и для вывода данных, поэтому необходимо использовать двунаправленные буферы.Проходящие по системной шине сигналы достаточны для возбуждения входов памяти. Буферирование осуществляется только потому, что ввод и вывод данных в ОЗУ с общим вводом-выводом осуществляется по одним и тем же линиям. Для надежного возбуждения шины данных выходные сигналы ОЗУ нужно буферировать. Двунаправленные буферы данных Ы и В2 для буферирования считываемых из памяти данных показаны на рисунке 12.

Рисунок 12-Сигналы управления передачей данных при чтении данных из ОЗУ с общими линиями ввода-вывода.



Рисунок 13- Сигналы управления передачей данных при чтении и записи данных в ОЗУ с общими линиями ввода-вывода данных (в схеме используются буферы памяти).

При выполнении операции чтения данных из памятивыдается сигнал MEMR, равный логическому 0. Этотсигнал поступает на вход схемы ИЛИ, обозначенной У,и формирует сигнал разрешения CS (логический 0).Выходной сигнал схемы У (логический 0) открывает бу-фер В2. При наличии этих сигналов данные поступаютс выхода ОЗУ через буфер В2 на системную шину дан-ных //.Когда сигнал MEMR равен логической 1, открывается буфер В1, а буфер В2 закрывается. ОЗУ также закрыто, потому что на его входе CS установлена логическая 1. При выполнении операции записи данных в память подается сигнал управления MEMW, равный логическому 0. Этот сигнал, поступающий на входы WE и С5, устанавливает ОЗУ в режим ввода данных с шины // через буфер В1.

2.4.5 Временная диаграмма обращения к памяти

При разработке микропроцессорных систем необходимо четко представлять, как происходит в системе передача трех потоков сигналов: данных, адреса и управления-- и какой вид имеют временные соотношения между ними. При отладке системы в случае необходимости можно изменить (или убрать) какой-либо поток сигналов. Различные потоки сигналов имеют различные временные задержки, так как для передачи разных типов информации используются разные устройства, параметры которых могут значительно различаться. Рассмотрим временную диаграмму выполнения цикла чтения данных из памяти, на которой показаны все основные сигналы, участвующие в этой операции. Сигнал L1 соответствует выдаваемому микропроцессором адресу памяти. Момент выдачи микропроцессором этого адреса рассматривается как начало обращения к памяти и обозначается t= 0.

Сигнал L2 характеризует время появления вырабатываемого микропроцессором адреса на адресной шине с учетом задержки t на буфере адресной шины. Задержка между временем t = 0 и появлением сигнала L2 на адресной шине не всегда постоянна и увеличивается при использовании буферов адреса. Если буферы адреса не используются, то сигналы L1 и L2 совпадают по времени. Сигнал выбора устройства L3 вырабатывается логическими схемами дешифрования адреса. Выше был описан дешифратор 7442 буферированных разрядов адреса памяти. Дешифровка адреса и формирование сигналов выбора устройства схемой 7442 требуют определенного времени. Поэтому для нахождения момента времени, когда адрес поступит на входы памяти, необходимо сложить время задержки прохождения информации через буферы адреса и время задержки, вносимой схемой 7442.Полная временная диаграмма цикла чтения данных из памяти, учитывающая задержки прохождения сигналов через адресные буферы и схему 7442.



Рисунок 14- Временная диаграмма к доступу памяти.

Сигнал L4-- это вырабатываемый микропроцессором сигнал RD Сигнал L5 (MEMR) имеет тот же вид, что и сигнал RD, но сдвинут на время, равное задержке комбинационной логической схемы, формирующей сигнал MEMR.После того как сигналы L3 и L5 поступят на входы схем памяти, данные появятся на выходе этих схем с некоторым запаздыванием. Задержки, возникающие при передаче данных с выходов памяти на вход микропроцессора, показаны с помощью сигналов L6, L7 и L8.



Рисунок 15- Временная диаграмма к доступу памяти при подаче на вход CS памяти сигнала выбора.

Сигнал L6 показывает момент появления на шине данных памяти стабильной информации из ОЗУ. Этот сигнал учитывает задержку между поступлением на входы памяти адреса и сигнала выбора устройства и появлением данных на выходе памяти, -- т. е. задержку срабатывания ОЗУ. Время L3 является временем непосредственного доступа к ОЗУ, отличающимся от времени доступа к ОЗУ микропроцессора. Если данные поданы на шину данных памяти, это еще не значит, что микропроцессор может считать их. Если в системе используются буферы данных памяти, то при прохождении данных из памяти через эту буферы на системную шину данных возникает задержка, которая учитывается сигналом L7.Прежде чем данные поступят по системной шине данных на вход микропроцессора, они должны пройти через буферы данных. Эту задержку показывает сигнал L8. Для того, чтобы определить момент, когда микропроцессор должен считывать выдаваемые из ОЗУ данные, нужно просуммировать все задержки относительно момента времени t = 0. Если микропроцессор считывает данные раньше окончания периода доступа к памяти ТА1 или ТА2, то операция чтения данных будет выполнена неверно.Это временная диаграмма включает все возможные задержки прохождения сигналов адреса и данных при чтении данных из системного ОЗУ. Если в микропроцессорной системе отсутствуют какие-либо схемы, например, буферы данных, то не будет и вызываемых их использованием временных задержек.

Выводы. Выше были описаны типичные устройства памяти, применяемые в микропроцессорных системах -- ПЗУ и статические ОЗУ. Рассмотренные принципы организации интерфейса применимы и к ЗУ других типов. Были описаны также ОЗУ с общими и раздельными линиями ввода-вывода данных. Использование этих устройств не представляет особых трудностей, однако в технической документации они редко описываются столь подробно. В заключении были описаны временные задержки прохождения сигналов, вызываемые использованием в микропроцессорных системах буферов данных и адреса. Материал этой главы представляет основу для обсуждения работы динамических ОЗУ

2.5 Обзор методов построения дисплея

Семисегмемнтный индикамтор -- устройство отображения цифровой информации. Это -- наиболее простая реализация индикатора, который может отображать арабские цифры. Для отображения букв используются более сложные многосегментные и матричные индикаторы.

Семисегментный индикатор, как говорит его название, состоит из семи элементов индикации (сегментов), включающихся и выключающихся по отдельности. Включая их в разных комбинациях, из них можно составить упрощённые изображения арабских цифр. Часто семисегментные индикаторы делают в курсивном начертании, что повышает читаемость.

Большинство одноразрядных семисегментных индикаторов устроены на светодиодах, хотя существуют и альтернативы -- лампы тлеющего разряда, электровакуумные индикаторы (катодолюминесцентные, накаливаемые), лампы накаливания, жидкие кристаллы и т. д. На больших табло наподобие цен на бензин всё ещё применяются механические индикаторы, переключающиеся с помощью электромагнитов. В обычном светодиодном индикаторе девять выводов: один идёт к катодам всех сегментов, и остальные восемь -- к аноду каждого из сегментов. Эта схема называется «схема с общим катодом», существуют также схемы с общим анодом.