Главная Коллекция "Otherreferats" Коммуникации, связь, цифровые приборы и радиоэлектроника Применение релейных блоков

Применение релейных блоков

Установки контроля электромонтажных структур серии "Лиана Р100ЕУ": автоматизированный тестовый контроль и диагностика цифровых микропроцессорных устройств. Структурная схема тестера релейных блоков, программа и алгоритм работы цифровых устройств.

Рубрика Коммуникации, связь, цифровые приборы и радиоэлектроника
Вид дипломная работа
Язык русский
Дата добавления 30.12.2011
Размер файла 8,5 M

Отправить свою хорошую работу в базу знаний просто. Используйте форму, расположенную ниже

Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.

Страница:

Рисунок 1.4.3-  Динамические характеристики работы реле НМШ2-900

Оптический канал производит регистрацию динамического изменения физического зазора между якорем и сердечником, характеризующего механическое перемещение якоря реле - график 25. Акустический канал регистрирует звуковую вибрацию, сопровождающую все механические перемещения, происходящие в блоке реле, и имеющую в своем составе широкий спектр и различную амплитуду составляющих акустического сигнала - график 20. Акустические диаграммы работы реле дополняют информацию, полученную в электрическом и оптическом каналах.

Изменение электромагнитной индукции фиксируется индукционным датчиком (электромагнитный канал), установленным в зоне физического зазора между якорем и полюсным наконечником - график 21. Измерения магнитного потока вдоль сердечника, а также в зазоре между якорем и полюсными наконечниками показали, что в зоне зазора наблюдается довольно значительное выпучивание магнитных силовых линий поля. Это обстоятельство послужило основанием для разработки индукционного датчика, помещенного вне кожуха реле в зоне выпучивания (рассеивания) поля вблизи зазора «якорь - полюсный наконечник». Исследования показали, что с помощью индукционного датчика можно получить интересующие нас параметры, в частности индукцию в сердечнике, как для нормально-действующих, так и для медленнодействующих реле, момент трогания и движения якоря, тяговые усилия при заданном напряжении питания, частоту и амплитуду вибрации подвижной системы реле, время затухания колебаний, приведенную массу якоря и др.

Рисунок 1.4.4  Динамические характеристики изменения ЭДС магнитной индукции снаружи и внутри магнитной цепи реле НМШ2-900

Предлагаемые методы проверки реле железнодорожной автоматики типов НМШ и РЭЛ с помощью ИДК позволяет автоматизировать измерения механических параметров реле без снятия кожуха, при этом погрешность вычисления механических параметров реле данным методом позволяет использовать его на практике вместо существующей технологии проверки электромагнитных реле первого класса надежности.

ИДК предоставляет возможность определять такие механические параметры реле как: высоту антимагнитного штифта, физический зазор между якорем и сердечником, совместный ход каждой группы контактов, неодновременность замыкания контактов, расстояние между фронтовыми и тыловыми контактами во время перелета общих контактов в каждой контактной группе, контактное давление - не вскрывая защитного кожуха, а также снимать все необходимые электрические и временные параметры в автоматическом режиме, что дает значительную экономию трудозатрат при входном и выходном контроле реле в РТУ. Кроме того, реализуются условия для оптимизации межремонтного периода, тестового контроля каждого реле и снижается зависимость качества проводимых работ от квалификации специалиста.

1.5 Техническое задание на дипломный проект

Название темы дипломного проекта:

Автоматизированная установка для контроля функционирования блоков релейных (БР).

Назначение разрабатываемого устройства:

Разрабатываемая система предназначена для автоматизированной проверки БР.

Цели разработки:

· повысить качество и достоверность результатов проверки БР;

· снизить время и трудовые затраты на проверку БР.

Характеристика объекта автоматизации:

Объектом автоматизации является процесс проверки БР. Под БР понимаются любые Блоки Релейные с количеством релейных контактов в блоках до 128, коммутированные в разъемы. Блоки Релейные и Блоки Коммутации соединяются между собой с помощью переходников и специальных жгутов.

Требования к системе в целом:

· комплекс должен состоять из двух взаимосвязанных блоков: аппаратной части (АЧ) и персонального компьютера (ПК), на котором установлено программное обеспечение (ПО) системы;

· АЧ непосредственно взаимодействует с БР, осуществляя генерацию, прием и первичную обработку тестовых сигналов;

· ПО осуществляет управление процессом тестирования, обработку результатов тестирования, диалог с пользователем;

· АЧ и ПК (ПО верхнего уровня) связываются посредством канала связи;

· АЧ должен иметь модульную структуру, благодаря чему при возникновении необходимости модификации системы достаточно будет изменить какой-то один конкретный модуль, вместо изменения всего конструктива;

· Система должна легко масштабироваться;

· Возможность самотестирования системы.

Требования к функциям, выполняемым системой:

· возможность тестирования любых Блоков Релейных с количеством контактов реле в одном блоке до 128;

· полная автоматизация процесса тестирования, где от пользователя требуется только указание типа БР и подключение его к АЧ;

· осуществление диалога с пользователем с помощью ПО верхнего уровня на ПК;

· возможность добавления новых типов кабелей и разъёмов;

· определение любых нарушений подключения контактов реле и их целостности, включая и частичные повреждения (повышенное переходное сопротивление контактов, высокоомное замыкание контактов реле, наличие токов утечки).

Требования к программному обеспечению:

· операционная система на ЭВМ - Windows XP SP2 или SP3;

· разработка ПО в среде C++ Builder 6;

· ПО должна решать следующие задачи: управление процессом тестирования БР и анализ результата, диалог с пользователем, регистрация событий и документирование.

1.6 Описание функций системы

Измерение напряжение на контактах реле

Основным методом измерения является аналого-цифровое преобразование входного напряжения, которое должно поступать с замкнутого контакта реле. В разработке необходимо проверить срабатывание контактов реле. Значит, достаточно подать на замкнутый контакт ток порядка 3-15 мА или напряжение порядка 5-24 В и измерить значение тока или напряжения на выходе цепи (контакта). Если подаваемое на контакт реле напряжение (или ток) с определенным допуском равно выходному напряжению на контакте, значит реле замкнуто.

1.7 Вывод к 1 главе

Ни одно из устройств, существующего ряда изготавливаемых приборов, не удовлетворяет требованиям, предъявляемым техническому заданию, поэтому аппаратная часть системы будет полностью проектироваться.

2. Разработка структурной схемы

2.1 Краткое описание система проверки БР (ТБР)

Система проверки БР представляет собой автоматизированную систему, с помощью которой осуществляется измерение напряжения, последовательно подаваемого на контакты реле, и которое снимается с них и подается на вход многоканального АЦП МК, снятие временных диаграмм процесса переключения контактов реле и вычисление по этим временным диаграммам времени до полного замыкания/размыкания контактов (т.е. определение времени от начала воздействия до установившегося режима - исключается дребезг контактов реле). Для коммутации АЦП с нужным реле необходимы модули коммутации. Для управления процессом коммутации, модулями коммутации и средствами измерения применяется МК и ПО нижнего уровня, написанное на ассемблере МК PIC. Команду на выполнение тестирования заданного БР и его тип в ТБР передает компьютер по линии USB. По этой же линии ПК получает от ТБР собранные в цикле тестирования данные, обрабатывает их (например, выводит временные диаграммы переключения контактов), и выводит на экран монитора ПК.

БР, подлежащие проверке, соединяются с АЧ (с ТБР) с помощью разъемов и переходных жгутов (ПЖ), разработка которых в дипломном проекте не предусматривается и является отдельной задачей. Благодаря ПЖ система становится универсальной, потому что на каждый тип проверяемого БР всегда можно создать свой переходной жгут, и, таким образом, ПО системы не зависит от типа проверяемого БР, т.е. мы получаем универсальную систему проверки БР, состоящую их ТБР (нижний уровень) и ПО на ПК (верхний уровень).

АЧ состоит из нескольких Блоков Коммутации (БК), связанных друг с другом через USB, что обеспечивает расширяемость и масштабируемость системы. Каждый БК представляет собой отдельный и независимый от других блоков системы модуль, благодаря чему вся система масштабируется без каких-либо изменений в АЧ и ПО системы (изменяется только ее конфигурация). По техническому заданию количество жил в ПЖ для подключения одного БК не превышает 128. Количество подключаемых реле к БК не превышает 128 (128 входных сигналов и 128 выходных). Из вышесказанного можно сделать вывод о том, что количество одновременно тестируемых модулей задает специалист-тестер путем соответствующих подключений БК и БР с помощью ПЖ. На схемах число БК выбрано равным восьми.

Связь между ЭВМ и модулями коммутации осуществляется при помощи интерфейса связи (ИС), в качестве которого выбран USB 2.0.

Средством измерения является многоканальный 10-разрядный АЦП, входящий в состав МК. С его помощью измеряются напряжения, снимаемые с контактов проверяемых реле.

Управление процессом тестирования осуществляется программной частью системы. С помощью программного обеспечения так же осуществляется обработка результатов тестирования кабелей и диалог с пользователем.

Далее приведена укрупненная структурная схема системы контроля (ТБР) на основе технического задания.

2.2 Специализированные и Универсальные ТБР

Специализированные тестеры

Такие приборы предназначены для тестирования определённых видов релейных блоков и предъявляют жёсткие требования к количеству проверяемых контактов реле и типу используемого разъёма. Рынок предлагает широкий спектр таких приборов, они отличаются принципами работы, подробностью диагностики (то есть точностью указания неисправного реле), органами управления и отображения. Практически каждый из них может находить одиночные ошибки, определяемые поочередным тестированием цепей “прозвонки”.

Универсальные тестеры

Этими приборами можно проверить практически любой релейный блок при помощи соответствующих ПЖ. Чаще всего к таким приборам относят устройства, работающие по принципу логического пробника, который последовательно снимает временные диаграммы в разных точках электронной схемы. Универсальный ТБР работает по принципу последовательного измерения напряжения на контактах реле помощью АЦП.

Главным недостатком логических пробников является то, что процесс тестирования такими устройствами длителен и трудоёмок, так как для проверки контактов реле необходимо выполнить переключений прибора.

Следует отметить, что «прозвонка» и измерение напряжения (или тока - с помощью шунта) мультиметром -- это основные ручные способы проверки работоспособности реле.

Метод автоматической “прозвонки” позволяет убедиться в правильности подключения релейных блоков без их разборки. Он основан на том, что в правильно собранном блоке сопротивления отдельных контактов (цепей “прозвонки”) должны быть не выше какого-то небольшого порогового значения. Так, сопротивление цепи, не превышающее 300 Ом, позволяет предполагать, что контакт реле замкнут, а сопротивление, превышающее несколько МОм - контакт разомкнут. Программа анализирует состояния замкнуто-разомкнуто и на основе этих данных делает предварительно заключение о правильности монтажа в релейном блоке.

По уровню измеренного АЦП напряжения можно судить о сопротивлении замкнутого контакта реле. Если подаваемое на контакт реле напряжение с небольшим допуском равно измеренному, то контакт замкнут и его переходное сопротивление в норме. Если же отклонение между подаваемым и измеренным напряжением достаточно большое, значит, контакт реле грязный и требуются профилактические работы с этим БР.

Если на контакты подавать определенное напряжение и измерять напряжение, снимаемое с этих контактов, то можно уже четко констатировать факт исправности / неисправности релейного блока.

Рисунок 2.1 - Обобщенная структурная схема системы проверки работоспособности блоков релейных(БР) вместе с управляющим компьютером

Рисунок 2.2 - Обобщенная структурная схема Блока Коммутации (БК)на основе микроконтроллера (МК)

2.3 Алгоритм работы системы

Для описания алгоритма работы комплекса необходимо определить функции, выполняемые системой. Функции и их описание приведены в пункте 1.2.

На рисунке 2.3 представлен общий алгоритм работы системы проверки блоков релейных. Ниже, на рисунках 2.4 представлены алгоритмы измерений в системах проверки блоков релейных.

Рисунок 2.3 - Общий алгоритм работы системы проверки БР

Рисунок 2.4 - Алгоритм коммутации контактов в тестере БР

2.4 Выбор интерфейса передачи данных между аппаратной и программной частями

В техническом задании не задан тип интерфейса связи между модулями коммутации и вычислительным устройством. Поэтому необходимо ознакомиться с наиболее известными из них, проанализировать достоинства и недостатки каждого из них и выбрать наилучший по всем критериям.

2.4.1 Стандарт LXI

Стандарт LXI (LAN eXtensions for Instrumentation - расширение LAN для проведения измерений) стал естественым и логичным продолжением разработки серии стандартов VXI и PXI для измерительных систем. В 2004 году стандарт был опубликовван и в том же году был создан Консорциум LXI - объединение производителей, разработчиков систем, системных интеграторов и пользователей для развития стандата и совершенствования оборудования LXI. С помощью стандарта LXI увеличивается скорость работы измерительных систем, уменьшение их стоимости, геометрических размеров, а также снижаются трудозатраты на разработку и настройку систем.

Новая системная архитектура основана на использовании последних достижений компьютерных технологий, прежде всего преимуществ технологий передачи Ethernet, сетевых возможностей Internet, протоколов LAN и других. Высокие скорости ввода/вывода, отсутствие интерфейсных кабелей, современное программное обеспечение вкупе с хорошо зарекомендовавшими себя стандартами готовых средств измерительной техники определяет эффективность стандарта LXI.

Системы LXI поддерживают практически все стандартные интерфейсы - как собственно LXI/LAN, так и VXI, PXI, RS232, а также GPIB. Такое разнообразие поддерживаемых устройств обеспечивает универсальность систем LXI, быстрый и простой переход на стандарт LXI уже существующих систем, а также полную совместимость LXI систем с другими.

Интерфейс LXI позволяет соединять настольные устройства с фронтальной панелью, стоечные модули без панели, отдельные измерительные устройства, в том числе встроенные, настольные и настенные. Стандарт LXI отличается от PXI и VXI тем, что каждый модуль или устройство системы имеет собственный блок питания, охлаждение, систему запуска, защиту от помех и интерфейс Ethernet. Таким образом, отдельные модули оборудования LXI могут быть использованы независимо от системы.

Особенности LXI:

скорость передачи - 10 Гбит/с (максимум);

схема соединения - точка - точка.

2.4.2 Стандарт RS-232

Данный стандарт разрабатывался, как интерфейс между терминальным оборудованием и связным оборудованием с обменом по последовательному двоичному коду. Его особенности:

· скорость передачи - 115 Кбит/с (максимум);

· расстояние передачи - 15 м (максимум);

· характер сигнала - несимметричный по напряжению;

· количество драйверов - 1;

· количество приемников - 1;

· схема соединения - полный дуплекс, от точки к точке.

Линия передачи первого устройства соединяется с линией приема второго и наоборот (полный дуплекс) Для управления соединенными устройствами используется программное подтверждение (введение в поток передаваемых данных соответствующих управляющих символов). Возможна организация аппаратного подтверждения путем организации дополнительных RS-232 линий для обеспечения функций определения статуса и управления.

Данные в RS-232 передаются в последовательном коде побайтно. Каждый байт обрамляется стартовым и стоповыми битами. Данные могут передаваться как в одну, так и в другую сторону (дуплексный режим).

Все сигналы RS-232 передаются специально выбранными уровнями, обеспечивающими высокую помехоустойчивость связи. Отметим, что данные передаются в инверсном коде (логической единице соответствует низкий уровень, логическому нулю - высокий уровень).

2.2.3 Последовательный интерфейс RS-485

Этот интерфейс имеет следующие характеристики:

· скорость передачи - 10 Мбит/с (максимум);

· расстояние передачи - 1200 м (максимум);

· характер сигнала, линия передачи - дифференциальное напряжение, скрученная пара;

· количество драйверов - 32;

· количество приемников - 32;

· схема соединения - полудуплекс, многоточечная;

Протокол связи RS-485 является наиболее широко используемым промышленным стандартом, использующим двунаправленную сбалансированную линию передачи. Протокол поддерживает многоточечные соединения, обеспечивая создание сетей с количеством узлов до 32 и передачу на расстояние до 1200м. Использование повторителей RS-485 позволяет увеличить расстояние передачи еще на 1200м или добавить еще 32 узла. Стандарт RS-485 поддерживает полудуплексную связь. Для передачи и приема данных достаточно одной скрученной пары проводников.

2.2.4 Интерфейс USB (универсальная последовательная шина)

Имеет следующие характеристики:

· высокая скорость обмена - 12 Мбит/с;

· максимальная длина кабеля для высокой скорости обмена - 5 м;

· низкая скорость обмена - 1.5 Мбит/с;

· максимальная длина кабеля для низкой скорости обмена - 3 м;

· максимальное количество подключенных устройств - 127;

· возможно подключение устройств с различными скоростями обмена;

· напряжение питания для периферийных устройств - 5 В;

· максимальный ток потребления на одно устройство - 500 мА.

Основная цель стандарта - создать реальную возможность пользователям работать в режиме Plug and Play с периферийными устройствами. Это означает, что должно быть предусмотрено подключение устройства к работающему компьютеру, автоматическое распознавание его после подключения и последующая установка соответствующих драйверов.

Конструкция разъемов для USB рассчитана на многократное сочленение/расчленение. Возможность использования только двух скоростей обмена данными ограничивает применяемость шины, но существенно уменьшает количество линий интерфейса и упрощает аппаратную реализацию. Питание непосредственно от USB возможно только для устройств с малым потреблением, таких как клавиатуры, мыши, джойстики и т.д.

Описание интерфейса USB

Интерфейс USB (Universal Serial Bus - Универсальный Последовательный Интерфейс) предназначен для подключения периферийных устройств к персональному компьютеру. Позволяет производить обмен информацией с периферийными устройствами на трех скоростях (спецификация USB 2.0):

Низкая скорость (Low Speed - LS) - 1,5 Мбит/с;

Полная скорость (Full Speed - FS) - 12 Мбит/с;

Высокая скорость (High Speed - HS) - 480 Мбит/с.

Для подключения периферийных устройств используется 4-жильный кабель: питание +5 В, сигнальные провода D+ и D-, общий провод.

Интерфейс USB соединяет между собой хост (host) и устройства. Хост находится внутри персонального компьютера и управляет работой всего интерфейса. Для того, чтобы к одному порту USB можно было подключать более одного устройства, применяются хабы (hub - устройство, обеспечивающее подключение к интерфейсу других устройств). Корневой хаб (root hub) находится внутри компьютера и подключен непосредственно к хосту. В интерфейсе USB используется специальный термин "функция" - это логически законченное устройств, выполняющее какую-либо специфическую функцию. Топология интерфейса USB представляет собой набор из 7 уровней (tier): на первом уровне находится хост и корневой хаб, а на последнем - только функции. Устройство, в состав которого входит хаб и одна или несколько функций, называетсясоставным (compaund device).

Порт хаба или функции, подключаемый к хабу более высокого уровня, называется восходящим портом (upstream port), а порт хаба, подключаемый к хабу более низкого уровня или к функции называется нисходящим портом (downstream port).

Все передачи данных по интерфейсу иницируются хостом. Данные передаются в виде пакетов. В интерфейсе USB испольуется несколько разновидностей пакетов:

пакет-признак (token paket) описывает тип и направление передачи данных, адрес устройства и порядковый номер конечной точки (КТ - адресуемая часть USB-устройства); пакет-признаки бывают нескольких типов: IN, OUT, SOF, SETUP;

пакет с данными (data packet) содержит передаваемые данные;

пакет согласования (handshake packet) предназначен для сообщения о результатах пересылки данных; пакеты согасования бывают нескольких типов: ACK, NAK, STALL.

Таким образом каждая транзакция состоит из трех фаз: фаза передачи пакета-признака, фаза передачи данных и фаза согласования.

В интерфейсе USB используются несколько типов пересылок информации.

Управляющая пересылка (control transfer) используется для конфигурации устройства, а также для других специфических для конкретного устройства целей.

Потоковая пересылка (bulk transfer) используется для передачи относительно большого объема информации.

Пересылка с прерыванием (iterrupt transfer) испольуется для передачи относительно небольшого объема информации, для которого важна своевременная его пересылка. Имеет ограниченную длительность и повышенный приоритет относительно других типов пересылок.

Изохронная пересылка (isochronous transfer) также называется потоковой пересылкой реального времени. Информация, передаваемая в такой пересылке, требует реального масштаба времени при ее создании, пересылке и приеме.

Потоковые пересылки характеризуются гарантированной безошибочной передачей данных между хостом и функцией посредством обнаружения ошибок при передаче и повторного запроса информации.

Когда хост становится готовым принимать данные от функции, он в фазе передачи пакета-признака посылает функции IN-пакет. В ответ на это функция в фазе передачи данных передает хосту пакет с данными или, если она не может сделать этого, передает NAK- или STALL-пакет. NAK-пакет сообщает о временной неготовности функции передавать данные, а STALL-пакет сообщает о необходимости вмешательства хоста. Если хост успешно получил данные, то он в фазе согласования посылает функции ACK-пакет. В противном случае транзакция завершается.

Когда хост становится готовым передавать данные, он посылает функции OUT-пакет, сопровождаемый пакетом с данными. Если функция успешно получила данные, он отсылает хосту ACK-пакет, в противном случае отсылается NAK- или STALL-пакет.

Управляющие пересылки содержат не менее двух стадий: Setup-стадия и статусная стадия. Между ними может также располагаться стадия передачи данных. Setup-стадия используется для выполнения SETUP_транзакции, в процессе которой пересылается информация в управляющую КТ функции. SETUP_транзакция содержит SETUP_пакет, пакет с данным и пакет согласования. Если пакет с данными получен функцией успешно, то она отсылает хосту ACK-пакет. В противном случае транзакция завершается.

В стадии передачи данных управляющие пересылки содержат одну или несколько IN- или OUT-транзакций, принцип передачи которых такой же, как и в потоковых пересылках. Все транзакции в стадии передачи данных должны производиться в одном направлении.

В статусной стадии производится последняя транзакция, которая использует те же принципы, что и в потоковых пересылках. Направление этой транзакции противоположно тому, которое использовалось в стадии передачи данных. Статусная стадия служит для сообщения о результате выполнения SETUP-стадии и стадии передачи данных. Статусная информация всегда передается от функции к хосту. При управляющей записи (Control Write Transfer) статусная информация передается в фазе передачи данных статусной стадии транзакции. При управляющем чтении (Control Read Transfer) статусная информация возвращается в фазе согласовании статусной стадии транзакции, после того как хост отправит пакет данных нулевой длины в предыдущей фазе передачи данных.

Пересылки с прерыванием могут содержать IN- или OUT-пересылки. При получении IN-пакета функция может вернуть пакет с данными, NAK-пакет или STALL-пакет. Если у функции нет информации, для которой требуется прерывание, то в фазе передачи данных функция возвращает NAK-пакет. Если работа КТ с прерыванием приостановлена, то функция возвращает STALL-пакет. При необходимости прерывания функция возвращает необходимую информацию в фазе передачи данных. Если хост успешно получил данные, то он посылает ACK-пакет. В противном случае согласующий пакет хостом не посылается.

Изохронные транзакции содержат фазу передачи признака и фазу передачи данных, но не имеют фазы согласования. Хост отсылает IN- или OUT-признак, после чего в фазе передачи данных КТ (для IN-признака) или хост (для OUT-признака) пересылает данные. Изохронные транзакции не поддерживают фазу согласования и повторные посылки данных в случае возникновения ошибок.

В связи с тем, что в интерфейсе USB реализован сложный протокол обмена информацией, в устройстве сопряжения с интерфейсом USB необходим микропроцессорный блок, обеспечивающий поддержку протокола. Поэтому основным вариантом при разработке устройства сопряжения является применение микроконтроллера, который будет обеспечивать поддержку протокола обмена.     В настоящее время все основные производители микроконтроллеров выпускают продукцию, имеющую в своем составе блок USB.

2.2.5 Стандарт GPIB

Стандарт и интерфейсная шина общего назначения GPIB в общих чертах были созданы практически одновременно с началом эры торжества компьютерных технологий. Бурное развитие электронных устройств и расширение возможностей измерительных приборов практически сразу поставили вопрос о взаимодействии между контрольно-управляющей и измерительной аппаратурой и компьютерной техникой. Компания Hewlett-Packard в середине 60-х годов представила интерфейс Hewlett-Packard Interface Bus (HP-IB) как многоцелевой контроллер. Бурно растущий рынок и значительное расширение сферы применений контрольно-измерительной аппаратуры потребовали возможностей комбинирования компьютера и конечного измерительного прибора. HP-IB стал удачным и гармоничным решением этой задачи.

Основные достоинства GPIB:

· достаточно высокая скорость передачи,

· достаточное число приборов на шине,

· гибкость топологии системы,

· возможность значительных расстояний между приборами

Дополнительным фактором, определившим популярность интерфейса GPIB стала его открытость и подробная документированность.

Хотя в поледнее время появился ряд более новых стандартов - VXI, PXI, LXI - компании-лидеры в производстве информационно-измерительной техники расширяют и номенклатуру GPIB, а также средств сопряжения GPIB с более новыми интерфейсами. Это объясняется крайне просто и понятно - всегда будут нужны системы на 1-2 прибора.

Для того чтобы выбрать наилучший интерфейс сначала надо перечислить требования, предъявляемые к нему:

· данные передаются в обоих направлениях;

· расстояние передачи до пяти метров, так как аппаратная часть и ЭВМ находятся на небольшом расстоянии друг от друга;

· скорость обмена может быть невысокой, так как передаются небольшие данные, а именно передается информация о том, какие линии будут коммутироваться;

· необходимое количество модулей коммутации до 20 с возможностью дальнейшего расширения (последовательное включение модулей).

Из списка рассматриваемых стандартов сразу можно исключить RS_232, т.к. он поддерживает только соединение точка-точка. Стандарт RS-485 так же не удовлетворяет требованиям, потому что не существует измерительных приборов с таким интерфейсом. У стандарта GPIB ряд недостатков: дороговизна контроллеров, которые встраиваются в модули коммутации, возможность подключения на общую шину не более 15 модулей. Если разрабатывать систему с интерфейсом связи LXI, то потребуется 8 портов Ethernet, что является лишним оборудованием. При этом скорость будет чрезмерно избыточной. Так же минусом является дороговизна контроллеров Ethernet.

Интерфейс USB лишен всех этих недостатков. Высокая скорость передачи, наличие измерительных приборов, большая возможность расширяемости с помощью хаба или контроллера USB, дешевизна, простота, а так же функция Plug and Play дают основания выбрать иенно этот стандарт в качестве интерфейса связи. К тому же USB есть в комплектации любого современного компьютера.

2.2.6 Интерфейс FireWire (скоростной последовательный интерфейс)

IEEE 1394 (FireWire, i-Link) -- последовательная высокоскоростная шина, предназначенная для обмена цифровой информацией между компьютером и другими электронными устройствами.

Шесть контактов FireWire подсоединены к двум проводам, идущим к источнику питания, и двум витым парам сигнальных проводов. Для некоторых меньших устройств с FireWire с целью экономии места используют четырехконтактные разъемы, без двух выводов питания.

История появления и развития

Многие считают, что шина FireWire совсем молодая и только начинает завоевывать рынок, но на самом деле это совсем не так: за ее плечами уже практически двадцатилетняя история. Началось все еще в далеком 1986 году, когда среди интерфейсов ввода-вывода царила некоторая неразбериха, и ни одно из существовавших решений не могло претендовать на звание универсального. Как раз тогда и возникла идея создать новую высокоскоростную последовательную шину, превосходящую по всем параметрам SCSI. Центральную роль в разработке взяла на себя корпорация Apple, и результаты не заставили себя долго ждать. Уже на следующий год был представлен первый вариант шины, названной FireWire («огненный провод»). Разработанный стандарт прекрасно подходил для передачи высококачественного видео, а пропускной способности вполне хватало для комфортной работы со всевозможными внешними дисковыми накопителями. Постепенно все больше производителей стало обращать внимание на перспективную шину и добавлять ее поддержку в свои устройства. Наконец, в 1995 году, после ряда доработок, шина была официально принята комитетом IEEE (Institute of Electrical and Electronics Engineers), в связи с чем получила свое второе наименование - IEEE 1394 (если точнее, то IEEE 1394-1995). В конце того же года на свет появились первые DV-камеры, оборудованные интерфейсом FireWire. Изначально на этот шаг решились только в фирме Sony, однако вскоре оказалось, что придумать чего-либо лучше, чем IEEE 1394, для передачи мультимедийных данных практически невозможно, поэтому спустя непродолжительное время шина была признана стандартом де-факто при работе с цифровым видео. Среди персональных компьютеров, как несложно догадаться, поддержка IEEE 1394 впервые появилась в операционной системе Mac OS, и лишь после этого шина перекочевала на PC.

Передача данных

Ознакомившись с основными возможностями и физической организацией шины, можно взглянуть на логическую структуру FireWire-сети и механизмы передачи данных. Для начала стоит разобраться, как же строится сеть на логическом уровне. Итак, каждый раз при отсоединении или подключении к шине нового оборудования (или при некоторых других обстоятельствах) происходит полный сброс шины. Это означает, что временно прекращаются все передачи, и каждое подсоединенное устройство «забывает» о своей предыдущей роли в жизни сети. По завершении сброса начинается построение нового логического дерева. Во время этого процесса каждое устройство определяет, что к нему подсоединено и что представляют собой новые соседи, а затем, на основании всех собранных сведений, выстраивается обновленная иерархия шины. Все устройства делятся по отношению к друг другу на родительские и дочерние, и, соответственно, одно из них выбирается основным (или «корневым»). Корневое устройство в дальнейшем будет играть роль своеобразного арбитра, причем оно не может быть переизбрано до следующего сброса шины (собственно, логическое дерево без сброса вообще измениться не может). Несмотря на всю кажущуюся сложность данного процесса, все занимает десятые доли секунды, поэтому практически незаметно для пользователя.

Для того чтобы одно устройство смогло передать данные другому, сначала оно должно получить на это соответствующее разрешение от корневого устройства. Ведь если все станут одновременно что-либо передавать, то так не хватит никакой пропускной способности. Таким образом, для получения данного разрешения устройство должно, в первую очередь, отправить специальный запрос, и только после получения утвердительного ответа, наконец, стартовать передачу. В IEEE 1394b этот механизм был существенно переработан, в результате функции арбитра перестали быть привилегией корневого девайса, и стало возможным предавать их от устройства к устройству.

По спецификации IEEE 1394 существует два типа передачи данных: асинхронный и синхронный. В первом случае каждый переданный пакет требует подтверждения о доставке, и если такового не приходит, то тот же пакет посылается повторно. Чтобы пакеты не заблудились, и было известно, куда затем посылать подтверждения, каждый из них снабжается точными адресами получателя и отправителя. В итоге, при асинхронном варианте данные будут гарантированно доставлены, но, возможно, с некоторыми задержками.

При синхронной передаче все происходит несколько по-другому: для начала передачи устройство посылает запрос на выделение определенной полосы пропускания, и, в случае получения положительного ответа, начинает пересылать данные сразу большими порциями, конечно, не дожидаясь никакого подтверждения от получателя. Чтобы данные дошли именно до того, кому они предназначаются, выделенному каналу присваивается определенный номер, который и сверяется получателем. Для синхронной передачи никогда нельзя занять всю пропускную способность канала - всегда как минимум 15% резервируются для других нужд. Например, в самом простом случае, когда передается фильм с видеокамеры на цифровой магнитофон, само видео поступает по синхронному каналу, а зарезервированная полоса используется для передачи управляющих команд асинхронным способом. Кстати, именно благодаря поддержке синхронной передачи, а следовательно, обеспечению гарантированной полосы пропускания, интерфейс FireWire прекрасно подходит для передачи цифрового видео, где основная задача - доставить данные строго в срок, пусть даже и с незначительными искажениями. Естественно, механизм передачи данных описан здесь лишь поверхностно - на самом деле используемые в FireWire алгоритмы - гораздо сложнее.

Итоги

Таким образом, шина FireWire обладает просто уникальными характеристиками: она обеспечивает огромную скорость передачи данных и с легкостью соединяет между собой совершенно произвольные устройства на внушительных расстояниях, поэтому FireWire имеет все шансы получить место не только под солнцем, но и в каждом системном блоке.

Сравнение FireWire и USB 2.0

Если подвести небольшой итог в «соперничестве» FireWire и USB, то, формально говоря, явного «победителя» выделить не получится - просто борцы находятся в разных весовых категориях. Изначально как такового «противостояния» и не предполагалось - в Intel перед запуском USB 2.0 долго раздумывали, стоит ли вообще ввязываться в эту «борьбу», и решились они на это только после того, как у FireWire возникли некоторые проблемы. Но с выпуском спецификации 1394b возможная «схватка» опять перестала быть «честной». Ведь если технологически напрямую сравнивать USB 2.0 и IEEE 1394b, то просто бесспорное преимущество окажется на стороне последнего, однако в рукаве у USB припрятаны два очень и очень весомых козыря - это значительно меньшая цена и повсеместная распространенность (заметим, это результат исключительно грамотной рекламной компании). Конечно, USB постепенно развивается, пытаясь позаимствовать у FireWire лучшие его черты; в частности, не так давно появились устройства, оснащенные функциями примитивного контроллера, например, фотоаппараты, которые можно подключать непосредственно к принтеру. Но пока все это лишь игрушки по сравнению с возможностями FireWire. Если же попытаться дать некоторый прогноз на будущее, то, скорее всего, FireWire продолжит расширять свои «владения», но на лавры USB покушаться не станет, а ограничится лишь высокоскоростными решениями. Также, скорее всего, FireWire перейдет к крупномасштабному «штурму» рынка бытовой электроники, постаравшись заменить собой большинство цифровых и аналоговых интерфейсов - ведь близится переход на HDTV, а высокие скорости там будут далеко не лишними.

Я в своем выборе остановился на USB 2.0, как более дешевом и практичном решении. Тем более, что уже вышел новый, более скоростной, стандарт USB - USB 3.0.

2.4 Вывод к 2 главе

В данном разделе была разработана структурная схема разрабатываемой системы, состоящей из аппаратной и программной частей, так же разработаны общие алгоритмы проверки тестируемого объекта контроля.

Аппаратная часть комплекса представляет собой отдельный модуль, которым управляет ПО верхнего уровня, установленное на ПК. Передача данных между ПК и АЧ осуществляется при помощи USB интерфейса. Для подключения кабельной продукции аппаратная часть имеет 128 выходных линий. Совместимость между АЧ и разъемами кабелей, а так же универсальность системы обеспечивается за счет переходных жгутов.

3. Разработка аппаратной части

АЧ решено было выполнить на основе широко распространенного микроконтроллера PIC18F4550 фирмы Microchip Technology.

Основные параметры

Разрядность 8

Масочное ПЗУ нет

Flash 32k

EEPROM 256

RAM 2048

Линий I/O 35

АЦП 10/13

Компаратор есть

Встроенный генератор есть

Интерфейсы UART/SPI/I2C/USB

Рабочая частота 12 МГц

Корпус DIP40

Это улучшенный маломощный 8-разрядный микроконтроллер с 13_канальным 10-разрядным аналого-цифровым преобразователем, Flash-EPROM и интерфейсом USB 2.0. Количество осцилляторов и режимов работы определяется для потребляемой мощности. "Enhanced FLASH" может перезаписываться до 100000 раз и гарантируемый срок годности - 40 лет.

АЧ состоит из нескольких модулей коммутации связанных параллельно друг с другом, что обеспечивает расширяемость и масштабируемость системы. Каждый модуль коммутации представляет собой отдельный блок, благодаря чему появляется возможность модификации системы. Один кабель может подключаться сразу ко всем блокам коммутации БК.

Связь между ПК и модулями коммутации осуществляется при помощи интерфейса связи (ИС) USB 2.0.

В состав средств измерения входит 13-канальный 10-разрядный АЦП в составе микроконтроллера PIC. С его помощью измеряются необходимые параметры объекта контроля (блока релейного).

Управление процессом тестирования осуществляется программной частью системы. С помощью ПО также осуществляется обработка результатов тестирования БР и диалог с пользователем.

3.1 Выбор аппаратного обеспечения

3.1.1 PIC18F4550 - микроконтроллер тестера

Микроконтроллер  ?  это  специализированный микропроцессор, предназначенный для обработки внешних событий при решении задач управления техническими процессами.

Обычно МК в реальном времени выполняют задачи сбора и первичной обработки информации о ходе технологического процесса и передачи результатов ее в локальную сеть, а также осуществляют управление в соответствии с заданным законом автоматического регулирования.

МК - это однокристальные микро?ЭВМ. МК используют различные корпуса от простейших малоконтактных DIP до многоконтактных BGA (см. рис. 3.1.1).

Рисунок 3.1.1 - Внешний вид МК

На одном кристалле МК размещаются (рисунок 3.1.2):

- процессор;

- оперативное запоминающее устройство (ОЗУ) данных;

- постоянное запоминающее устройство (ПЗУ) команд;

- последовательные и параллельные порты;

- котроллер прерываний;

- контроллер ПДП (опция);

- таймеры (опция);

- ЦАП, АЦП (опция);

- внутренние схемы запуска и тактовой синхронизации.

Рисунок 3.1.2 - Структурная схема МК PIC18F4550

Основной архитектурой МК является Гарвардская архитектура, что обеспечивает возможность совместить во времени процедуры выборки и декодирования команд с исполнением предыдущей команды с целью повышения производительности. Команды размещаются во внутреннем и/или внешнем ПЗУ и поступают в устройство управления МК. Данные (операнды) размещаются во внутреннем и/или внешнем ОЗУ и поступают на исполнение в оперативное устройство МК. Во многих МК внутреннее ОЗУ реализовано как расширение для регистров общего назначения процессора и поэтому иногда данное ОЗУ называют «регистровый файл».

Как правило, МК имеют сложный набор команд, т.е. это процессор СISC - типа (некоторые микроконтроллеры имеют простой набор команд для  пересылок и передачи данных, выполняющих за один машинный цикл, а также несколько сложных вычислительных команд (умножение, деление)). МК с простым набором команд RISC?типа, также широко представлены на рынке микроэлектроники, например, PIC?контроллеры. МК RISC?типа применяются для проектирования простейших устройств, таких как интеллектуальная периферия.

МК устроен таким образом, чтобы максимально упростить взаимосвязь микроконтроллера с  различными разнообразными  внешними  устройствами. Это достигается с помощью наличия программно?управляемых портов.

Наличие в МК  нескольких портов ввода - вывода (последовательного и параллельного) определяет интерфейсные возможности проектируемой системы:

1. По связи с системами верхнего уровня: HOST ПК, ПЛК, терминалы, интеллектуальные пульты операторов;

2. По организации межпроцессорных коммуникаций для построения мультипроцессорных систем;

3. По подключению большого числа стандартных исполнительных устройств, датчиков, а также внешних БИС/СБИС, как программируемых, так и с жесткой логикой.

В настоящее время парк МК достаточно обширный, так как существует большое количество разнообразных прикладных задач от простейших до сложных, требующих различной производительности и возможностей для подключения внешних устройств.

Вычислительной мощности 8-разрядного МК вполне достаточно, так как в системе используется регистр сдвига, на котором аппаратно реализуется функция последовательного сканирования контактов реле. У используемого в системе микроконтроллера предусмотрен USB интерфейс (в, общем-то, стало практически основным критерием выбора этого МК, поскольку подбирался МК со встроенной поддержкой USB 2.0).

В таблице 3.7 представлены несколько моделей микроконтроллеров и их характеристики.

Таблица 3.1 - Сравнительная таблица микроконтроллеров

Модель МК

PIC16С745

MSP430F5

AT90USB647-MU

PIC18F4550

Фирма производитель

Microchip

Texas Instruments

Atmel Corporation

Microchip

разрядность

8 бит

16 бит

8 бит

8 бит

ОЗУ данных, байт

256

265

64

256

частота, МГц

24

25

16

40

последовательные интерфейсы

USB,

UART/SCI

USB,

USCI

JTAG,

Serial, USART,

USB

USB,

SPI

Корпус

28 PDIP,

28 SOIC

-

TQFP

40 DIP,

44 SOIC

Количество вводов/выводов

19

48

48

35

Таким образом, по всем параметрам наиболее подходящим микроконтроллером является PIC18F4550 фирмы Microchip.

На рисунке 3.1.3 представлен общий вид микросхемы микроконтроллера PIC18F4550. Внутреннее устройство и функциональные блоки микроконтроллера показаны на рисунках 3.1.4 - 3.1.5.

Рисунок 3.1.3 - общий вид микросхемы микроконтроллера PIC18F4550

Рисунок 3.1.4 - внутреннее устройство микроконтроллера PIC18F4550

3.1.2 TUSB2036 - 3-х портовый USB-мост

Основные особенности

Полная совместимость с USB 1.1

Интегрированный USB трансивер

Низкое потребление при напряжении питания 3.3 вольта

Малогабаритный корпус QFP32 с шагом выводов 0.8мм

Архитектура микросхемы TUSB2036:

Рисунок 3.1.5-  Архитектура микросхемы TUSB2036

Upstream_порт подключается к компьютеру. К одному downstream_порту подключается микроконтроллер блока коммутации, к другому следующий блок коммутации с такой же микросхемой. Третий downstream_порт будет свободен (его тоже можно будет вывести на разъем - лишний свободный usb_порт). Таким образом, не надо делать на микроконтроллере USB-хост, который будет принимать данные от компьютера и передавать их дальше. По спецификации USB на один порт можно подключить до 127 устройств через хабы (в том числе последовательно). Данная микросхема позволяет индивидуально управлять питанием downstream_портов.

USB-хабы соединяются друг с другом и с компьютером при помощи USB - кабелей с разъемами двух типов: А - на стороне ЭВМ, В - на стороне периферийного устройства.

Рисунок 3.1.6 -  Назначение выводов микросхемы TUSB2036

3.1.3 MIC29500- Линейный Регулятор Напряжения-Тока

Стандартный регулируемый стабилизатор напряжения/тока.

Рис.  Регулируемый стабилизатор напряжения/тока MIC29500

MIC29500/1/2/3

· Гарантированный выход 5А

· Выход: 3,3; 5 В, или подстройка 1,24…26 В

· Падение напряжения: <370 мВ (тип, при 5 А)

· Низкий шум на выходе: 400 мкВ (эфф. тип)

· Защита от обратной полярности на входе

· Защита от перегрузки и короткого замыкания на выходе

3.1.4 AT24C256 - EEPROM 256K с интерфейсом I2C

Свойства:

2-шинный последовательный интерфейс

Триггер Шмидта, входы с фильтрами для подавления шума

Двунаправленный протокол передачи данных

Работа с низким и стандартным напряжением

- 5.0 (VCC = 4.5…5.5В)

- 2.7 (VCC = 2.7…5.5В)

- 1.8 (VCC = 1.8…3.6В)

Внутренняя организация 32.768 x 8

Совместимость 100 кГц (1.8В), 400 кГц (2.7В) и 1МГц (5В)

64-байтовый режим записи страницы (5 мс типовое)

Доступна защита от записи

Автосинхронизированный цикл записи (10 мс максимум)

Высокая надежность

Срок службы: 1 миллион циклов записи

Срок сохраняемости: 40 лет

Защита ESD: > 4000В

8-контактные корпуса JEDEC PDIP и JEDEC SOIC, 14-контактные корпуса TSSOP и корпус с 8-столбиковыми контактами

Описание:

AT24C128/AT24C256 обеспечивает 128K/256 Kбит последовательного электрически стираемого и программируемого постоянно запоминающего устройства (EEPROM), организованного как 16.768/32.768 слов по 8 бит каждое. Устройство оптимизировано для использования в приложениях, требующих хранения данных и последовательной передачи информации управления и конфигурации. AT24C128/AT24C256 доступен в экономящих место 8-контактных корпусах JEDEC PDIP, 8-контактных корпусах JEDEC SOIC, 8-контактных корпусах EIAJ, 14-контактных корпусах TSSOP и в корпусах LAP c 8-столбиковыми контактами.

Конфигурация выводов:

Название контакта

Функция

A0…A1

Адресные входы

NC

Не присоединён

SDA

Последовательные данные

SCL

Вход послед. тактовых импульсов

WP

Защита от записи

3.1.5 TPIC6C595- 8-разрядный сдвиговый регистр

Сдвиговый регистр с последовательным входом и выходом для возможности наращивания.

Регистр - логическое устройство, используемое для хранения n_разрядных двоичных слов (чисел) и выполнения преобразований над ними.

Регистр представляет собой упорядоченную последовательность триггеров, число которых соответствует числу разрядов в слове. С каждым регистром обычно связано комбинационное цифровое устройство, с помощью которого обеспечивается выполнение некоторых операций над словами.

Последовательные (сдвигающие) регистры представляют собою цепочку разрядных схем, связанных цепями переноса. В однотактных регистрах со сдвигом на один разряд вправо слово сдвигается при поступлении синхросигнала.

Кроме операции хранения данных регистры могут использоваться и для операции сдвига данных с целью преобразования двоичного последовательного кода в параллельный и наоборот. Это так называемые сдвиговые регистры или регистры сдвига, которые получаются путем цепочного соединения триггеров.

Суть сдвига состоит в том, что по сигналу синхроимпульса происходит одновременная перезапись содержимого каждого триггера в соседний триггер. При этом не меняется само двоичное слово (число), записанное в регистре, оно лишь сдвигается на один разряд и только содержимое последнего триггера ТТ3 пропадает из регистра, а на вход первого ТТ0 поступает новый бит

Рисунок 3.1.7 - Схема регистра сдвига TPIC6C595

Выбираем мощный сдвиговый регистр TPIC6C595, схема которого представлен на рисунке 3.1.8.

Рисунок 3.1.8 - Схема мощного сдвигового регистра TPIC6C595,

Это монолитный со средним напряжением и небольшим током потребления 8-разрядный регистр сдвига с мощными выходами, предназначенный для использования в системах, которые требуют сравнительно умеренную мощность нагрузки. Устройство содержит встроенный в зажим напряжения на выходах для индуктивной защиты от переходных процессов.

Характеристики:

· Низкое переходное сопротивление выходного транзистора в открытом состоянии

· Восемь мощных DMOS транзисторных выходов на 100мА постоянного тока

· 250-мА максимально предельный ток

· Напряжение защиты  2500 В

Страница:


Подобные документы

Работы в архивах красиво оформлены согласно требованиям ВУЗов и содержат рисунки, диаграммы, формулы и т.д.
PPT, PPTX и PDF-файлы представлены только в архивах.
Рекомендуем скачать работу.

© 2000 — 2023, ООО «Олбест» Все права защищены