Апаратно-програмний комплекс для зчитування аналогового сигналу з сенсорів icon

Апаратно-програмний комплекс для зчитування аналогового сигналу з сенсорів




Скачати 115.83 Kb.
НазваАпаратно-програмний комплекс для зчитування аналогового сигналу з сенсорів
Дата30.07.2012
Розмір115.83 Kb.
ТипДокументи



УДК 004.5, 004.9

© 2011 р. С.В. Баловсяк, А.М. Квак

Чернівецький національний університет імені Юрія Федьковича, Чернівці

Апаратно-програмний комплекс для зчитування аналогового сигналу з сенсорів

Представлено створений комплекс для зчитування аналогового сигналу з сенсорів. Комплекс складається з апаратної частини – пристрою „LPT_Sensor_10h” та керуючої програми „LPT_Sensor_10s”. Для аналізу частотного спектру сигналів розроблено програму „Fourier_1D”. Програмне забезпечення розроблено в середовищі Delphi. Комплекс може бути використаний з навчальною метою при виконанні студентами лабораторних робіт, пов’язаних з аналогово-цифровим перетворенням сигналів. Особливістю програми „LPT_Sensor_10s” є віртуальний режим, в якому виконання лабораторної роботи можливе без апаратної частини.

The created system for reading of analog signal from sensors is presented. A system consists of hardware – device „LPT_Sensor_10h" and control software „LPT_Sensor_10s". For the analysis of frequency spectrum of signals the software „Fourier_1D" is developed. All software in the Delphi environment is created. The system with an educational purpose at implementation by the students of the laboratory works related to analog-digital converter of signals can be used. The feature of program „LPT_Sensor_10s" is a virtual modes, in which implementation of laboratory work is possible without hardware.

Вступ

Комп’ютерна обробка сигналів з різноманіт­них сенсорів, наприклад терморезисторів, термісторів, фотодіодів, фоторезисторів та ін., часто передбачає зчитування аналогового сигналу [1-3]. У більшості випадків сигнал після аналогово-цифрового перетворення зчитується через послідовний або паралельний порт, шину USB [4-6]. Відповідно система зчитування сигналу повинна містити апаратну частину (пристрій (адаптер), під’єднаний до порту комп’ютера) та програмну частину (прикладну програму для зчитування сигналу).

Сфера використання таких апаратно-програмних комплексів постійно розширюється, тому метою даної роботи були створення відносно простої комп’ютерної системи для зчитування аналогового сигналу, яка також може бути використана з навчальною метою при виконанні студентами лабораторних робіт, пов’язаних з АЦ-перетворенням сигналів. Особливістю розроблених програм є можливість виконання віртуальних лабораторних робіт (режим емуляції роботи апаратної частини), що дозволяє студентам виконувати значну частину роботи без доступу до пристрою зчитування аналогового сигналу.

Розроблений комплекс складається з пристрою „LPT_Sensor_10h” та керуючої програми „LPT_Sensor_10s”. Для аналізу частотного спектру сигналів створено програму „Fourier_1D”. Програмне забезпечення розроблено в середовищі Delphi.


1. Пристрій „LPT_Sensor_10h”

1.2. Схема електрична структурна пристрою „LPT_Sensor_10h”

Спрощена схема електрична структурна пристрою наступна (рис. 1). В якості сенсора використано поширений температурний чутли­вий елемент LM335M (стабілітрон з нормова­ним температурним коефіцієнтом напруги). Генератор призначений для формування аналогового сигналу як послідовності пилкоподібних імпульсів. Це дозволяє продемонструвати вплив частоти дискретизації (при аналогово-цифровому перетворенні) на форму зчитаного сигналу.



Рис. 1. Схема електрична структурна пристрою

Комутатор працює у двох режимах: зчитування вхідного сигналу з сенсора або з генератора. Атенюатор призначений для регульованої зміни амплітуди вхідного сигналу, що дозволяє дослідити квантування значень напруги при АЦ-перетворенні. Аналогова напруга з атенюатора поступає на АЦП, з виходу якого зчитується відповідний цифровий сигнал. В якості АЦП використано ADS7822P –12-бітний АЦП з послідовним виводом даних.

Схема індикації призначена для візуалізації вихідних та керуючих бітів АЦП, що значно спрощує розуміння принципів роботи схеми. Буфер призначений захисту від перевантажен­ня за струмом і напругою паралельного порту (LPT) комп’ютера, через який виконується обмін інформацією з пристроєм.


^ 1.2. Схема електрична принципова пристрою „LPT_Sensor_10h”

Принцип дії електричної принципової схеми пристрою наступний (рис. 2). Для живлення пристрою використовуються дві напруги: +7 В і +5 В. Напруга +7 В подається на плату через конектор X2 і низькочастотний фільтр (R9, C4, C5). Високостабільна напруга +5В (призначена для живлення АЦП) формується стабілізатором DD2 (78LO5).

До основної плати сенсор LM335M (DD3) під’єднано через конектор X3. Для нагрівання сенсора (з метою перевірки його працездатності) використано резистор R11. Резистор-нагрівач вмикається перемикачем S1, що видно візуально за допомогою світлодіода VD7. Струм через сенсор повинен бути в діапазоні від 0.45 мА до 5 мА, що досягається вибором опору резистора R13.

Далі напруга UT з сенсора подається на резистивний дільник-атенюатор (R12, R14), який зменшує напругу UT (коефіцієнт ослаблення напруги k= 2.18). Завдяки цьому вхідна напруга на вході АЦП U=UTkU не перевищує допустимого значення – опорної напруги U=2.5 В. Конденсатор C6 ослаблює високо­частотні шуми термосенсора.

Сигнал на АЦП може подаватися також із низькочастотного генератора електричних імпульсів. Генератор зібрано за схемою мультивібратора на транзисторах VT1 та VT2. Низькочастотний фільтр R20, C9 згладжує форму вихідного сигналу. Підбором значень резисторів та конденсаторів встановлено частоту електричних імпульсів fS = 0.704 Гц, які можна спостерігати візуально за допомогою світлодіода VD8. Резистивний дільник на резисторах R20 і R22 призначений для регулювання амплітуди вихідного сигналу з генератора, що дозволяє дослідити квантування напруги при АЦ-перетворенні.



Рис. 2. Схема електрична принципова пристрою „LPT_Sensor_10h”

Таким чином, комутатор S2 подає на вхід „^ IN” АЦП сигнал з термосенсора або сигнал з генератора. Діоди VD4 і VD5 призначені для обмеження напруги вхідного сигналу АЦП.

АЦП ADS7822P (DD1) перетворює вхідну напругу, яка знаходиться в діапазоні від REF- до REF+, у 12-бітний цифровий код [4]. Максимальна частота дискретизації – 75 кГц. В даній схемі значення REF- дорівнює 0 В, а на вхід REF+ подається опорна напруга U0= 2.5 В з дільника R7 і R8. Сигнал CS служить для початку АЦ-перетворення. Вхід CL є тактовим і задає моменти часу, коли на вихід DATA буде подано відповідний біт результату. Сигнал CL керується бітом DR0, сигнал CS – бітом DR1 регістру даних порту LPT. Сигнал DATA зчитується бітом SR7 регістру стану портуLPT.

Часові діаграми сигналів АЦП наступні (рис. 3). При встановленні сигналу CS в 0 починається АЦ-перетворення, яке триває час tp=8 мкс (період часу „ADC”). Потім відбувається очищення стану АЦП шляхом подачі трьох імпульсів сигналу CL (період „Clear Data”). Далі відбувається зчитування бітів даних шляхом подачі 12 тактових сигналів CL (період „Read Data”), при переході значення сигналу CL з 0 в 1 на виході АЦП встановлюється значення відповідного біту даних Dі.

Пристрій „LPT_Sensor_10h” виготовлено на основі односторонньої друкованої плати (рис. 5), до якої через кабель під’єднано плату термосенсора.


2. Програма керування

„LPT_Sensor_10s”

Програма „LPT_Sensor_10s” розроблена в середовищі Delphi [7] і призначена для зчитування цифрового сигналу з пристрою "LPT_Sensor_10h". Керування пристроєм з комп’ютера відбувається через LPT-порт.

Програма керування створена для операційної системи MS Windows XP. Оскільки у Windows XP прямий програмний доступ до портів заборонений, тому в програмі для взаємодії з портом використано функції і процедури бібліотеки IO.DLL. Зокрема за допомогою процедури PortOut (Port1, Data1) виконується запис в порт з адресою Port1 байту Data1, а функція PortIn (Port2) зчитує байт з порту за адресою Port2.

Програма складається з 5 модулів: „LPT_ADC” (головний), „Опції”, „АЦП Параметри”, „АЦП Моделювання”, „Довідка”.

На формі головного модуля (рис. 4) доступні такі основні функції. Команда „Зчитати_U” зчитує з АЦП значення напруги у двійковому вигляді (масив UBit з n=12 бітів), які перетворюються у десятковий код Ud. Отриманий код Ud на основі опорної напруги U0 перетворюється у дійсне значення напруги U = U0 • Ud / (2n - 1).

Набір компонентів „Діаграма” призначений для роботи з графіком значень сигналу. Команда „^ Пуск” у циклі зчитує з АЦП залежність напруги від часу U(t) і відображає її у вигляді діаграми. Користувач може вибрати максимальну кількість точок діаграми QI і час дискретизації Time_Discret. Зчитування напруг відбувається в режимі реального часу [8], тобто кожній точці з номером i на діаграмі відповідає напруга U, зчитана в момент часу t. Якщо встановити перемикач „Осцилограф”, то процес зчитування напруги буде відбуватися постійно (до натиснення кнопки „Стоп”), але на діаграмі відображаються тільки останні QI значень. Часові параметри АЦП відображаються на формі „АЦП_Параметри”.

Програма дозволяє не тільки зчитувати напругу з реального ^ АЦП, але й моделювати цей процес, тобто виконувати віртуальну лабораторну роботу. Для ввімкнення режиму моделювання потрібно встановити перемикач „Модель”, а параметри моделювання вибрати на формі „АЦП_Моделювання”. На формі „Опції” можна встановити перемикач „ADC_Step” для демонстрації окремих кроків АЦ-перетворення.

На формі „АЦП_Моделювання” (рис. 5) зображено фотографію плати пристрою (режим моделювання). Користувач може програмно моделювати вибір режиму „T” (термосенсор) або „G” (генератор) за допомогою перемикача S2. Перемикач S1 в режимі термосенсора вмикає нагрівач, якщо попередньо почати зчитування значень сигналу кнопкою „Пуск”. Ввімкнення нагрівача, а також стани бітів DR0, DR1, SR7 відображаються на зображенні плати ввімкненням або вимкненням відповідних світлодіодів. В режимі генератора амплітуда сигналу регулюється програмно за допомогою резистора R22.

Алгоритм зчитування цифрового значення напруги U з АЦП (рис. 6) розроблено згідно з часовою діаграмою сигналів АЦП (рис. 3).



Рис. 3. Часові діаграми сигналів АЦП



Рис. 4. Форма головного модуля „LPT_ADC” програми „LPT_Sensor_10s”

3. Використання комплексу в лабораторних роботах

^ 3.1. Зчитування сигналу з сенсора температури

Завдання роботи полягає у збиранні вимірювальної системи згідно зі схемою, вимірюванні температури об’єкта, визначенні статичних та динамічних параметрів сенсора. Основні завдання лабораторної роботи наступні.

1. Виміряти температуру сенсора у часі при короткочасному нагріванні. Нагрівання виконати тумблером S1 на задані інтервали часу згідно варіанту V. Виміри напруги UN(t) проводити для заданих значень частоти дискретизації fd і кількості точок QI (рис. 7). На основі функції перетворення термосенсора і значень UN(t) обчислити залежність температури у градусах Цельсія TСN(t) від часу (рис. 8).

2. Виміряти температуру сенсора у часі при тривалому нагріванні (рис. 4). Завдання подібне до першого, але за рахунок більшого часу нагрівання значну роль відіграє теплоємність плати сенсора, тому напруга на виході сенсора (а відповідно і його температура) змінюються повільно. У випадку короткочасного нагрівання (рис. 7, рис. 8) основну роль грає відносно мала теплоємність самого сенсора і нагрівача, тому температура змінюється швидко.



Рис. 5. Форма „АЦП Моделювання”


3. Визначити параметри АЦП: роздільну здатність за напругою hU, абсолютну похибку ΔU.

4. Розрахувати статичні характеристики вимірювального пристрою: роздільну здатність за температурою hT, абсолютну похибку за температурою ΔT.

5. Визначити динамічні характеристики термосенсора.


3.2. Зчитування періодичного аналогового сигналу

Завдання роботи полягає у зчитуванні напруги періодичного аналогового сигналу з генератора програмою „LPT_Sensor_10s”; дослідженні впливу частоти дискретизації на форму сигналу; вивченні принципів АЦ-перетворення сигналів, способів програмного керування АЦП через LPT-порт. Основні завдання лабораторної роботи наступні.

1. В режимі осцилографа при заданій частоті дискретизації fd і кількості точок графіка QI. встановити задану амплітуду сигналу.

2. Вимкнути режим осцилографа і зчитати значення сигналу при заданих частотах дискретизації fd і кількості точок графіка QI. Отримані залежності U(t) записати у файли (рис. 10).

3. За допомогою програми „Fourier_1D” (рис. 9) виконати пряме перетворення Фур’є [9] залежностей U(t) (рис. 11), записаних у файли. Кількість гармонік km вибрати рівною 25; на формі для всіх гармонік з частотою f показати значення амплітуди c і фази d. Для кожного спектру c(f) визначити частоту дискретизації fd, частоту Найквіста fN, частоту fmax гармоніки з максимальною амплітудою (крім нульової). Проаналізувати зміну форми сигналу і його спектру залежно від частоти дискретизації.

4. Встановити в програмі кроковий режим АЦ-перетворення і виконати в такому режимі одне АЦ-перетворення напруги.



Рис. 6. Схема алгоритму зчитування цифрового значення напруги U з АЦП





Рис. 7. Залежність напруги UN(t) на вході АЦП від часу при короткочасному нагріванні сенсора



Рис. 8. Залежність температури сенсора ТСN(t) від часу при короткочасному нагріванні



Рис. 9. Фрагмент екранної форми програми „Fourier_1D”: сигнал y(x) і його спектр c(f)



а)

б)

в)

Рис. 10. Графіки сигналу U(t) №1-3:

а) №1, f= 25 Гц; б) №2, f= 10 Гц; в) №3, fd = 5 Гц


У випадку, якщо частота fS корисного сигналу перевищує частоту Найквіста fN, відбувається накладання спектрів (рис. 12). Залежно від відношення частот дискретизації fd і сигналу fS відбувається специфічне спотворення форми сигналу, а відповідно і його частотного спектру. При цьому на рис. 12 корисний сигнал з частотою ≈0.704 Гц відсутній у спектрі, а форма сигналу сильно спотворена низькочастотної модуляцією амплітуди з частотою ≈0.218 Гц.




а)

б)

в)

Рис. 11. Спектри c(f) сигналів U(t) №1-3:

а) №1, fd = 25 Гц, fN = 12.5 Гц, fmax = 0.75 Гц;

б) №2, f= 10 Гц, fN = 5 Гц, fmax = 0.7 Гц;

в) №3, fd = 5 Гц, fN = 2.5 Гц, fmax = 0.7 Гц



Рис. 12. Накладання спектрів:  f= 0.455 Гц, f= 0.227 Гц, fmax = 0.218 Гц


Висновки

У даній роботі описано створений комплекс для зчитування аналогового сигналу з сенсорів. Комплекс може бути використаний з навчальною метою при виконанні студентами лабораторних робіт, пов’язаних перетворенням аналогових сигналів у цифрову форму. Апаратна частина комплексу – пристрій „LPT_Sensor_10h”, який керується програмою „LPT_Sensor_10s”. Для аналізу частотного спектру сигналів створено програму „Fourier_1D”. Програмне забезпечення розроблено в середовищі Delphi.

Розроблений пристрій може зчитувати сигнал або термосенсора, або генератора періодичних коливань. Відповідно пристрій може використовуватися при виконанні двох лабораторних робіт.

При зчитуванні сигналу з термосенсора завдання роботи полягає в перетворенні у цифрову форму сигналу з виходу сенсора, перетворенні зчитаного значення напруги з сенсора в температуру об’єкта, визначенні статичних та динамічних параметрів сенсора.

У випадку зчитування сигналу з генератора завдання роботи полягає в дослідженні впливу частоти дискретизації на форму сигналу і його частотний спектр; вивченні принципів АЦ-перетворення сигналів, способів програмного керування АЦП через LPT-порт.

Новизна роботи полягає у використанні віртуального режиму програми „LPT_Sensor_10s”, в якому емулюється робота пристрою „LPT_Sensor_10h” і виконання лабораторної роботи можливе без доступу до апаратної частини.


^ СПИСОК ЛІТЕРАТУРИ



  1. Виглеб Г. Датчики. Устройство и приме­нение / Г. Виглеб. – М.: Мир, 1989. – 196 с.

  2. Джексон Р.Г. Новейшие датчики / Р.Г. Джексон. – М.: Техносфера, 2007. – 384 с.

  3. Поліщук Є.С. Засоби та методи вимірювань неелектричних величин. Підручник для вищих навч. закл. / Є.С. Поліщук, М.М. Дорожовець, Б.І. Стадник. – Л.: Бескид Біт, 2008. – 615 с.

  4. Гелль П. Как превратить компьютер в измерительный комплекс / П. Гелль. – М.: ДМК, 1999. – 144 с.

  5. Бабич М.П. Комп’ютерна схемотехніка : Навчальний посібник / М.П. Бабич, І.А. Жуков. – К.: МК-Пресс, 2004. – 412 с.

  6. Гук М. Интерфейсы ПК : справочник / М. Гук. – СПб.: Питер, 1999. – 416 с.

  7. Архангельський А.Я. Программирование в Delphi 7 / А.Я. Архангельський. – М.: Бином, 2004. – 1152 с.

  8. Сулейманова А.М. Системы реального времени : учебное пособие / А.М. Сулейма­нова. – Уфа: Из-во Уфимск. гос. авиац. ун-т., 2004. – 292 с.

  9. Выгодский М.Я. Справочник по высшей математике / М.Я. Выгодский. – М.: Наука, 1962. – 870 с.

    S.V. Balovsyak, A.N. Kvak. The hardware and software system for reading of analog signal from sensors

    С.В. Баловсяк, А.Н. Квак. Аппаратно-программный комплекс для считывания аналогового сигнала с датчиков

    Представлен созданный комплекс для считывания аналогового сигнала с датчиков. Комплекс состоит из аппаратной части – устройства „LPT_Sensor_10h” и управляющей программы „LPT_Sensor_10s”. Для анализа частотного спектра сигналов разработано программу „Fourier_1D”. Программное обеспечение разработано в среде Delphi. Комплекс может использоваться в учебных целях при выполнении студентами лабораторных работ, связанных с аналогово-цифровым преобразованием сигналов. Особенностью программы „LPT_Sensor_10s” является виртуальный режим, в котором выполнение лабораторной работы возможно без аппаратной части.

Науковий вісник Чернівецького університету. Комп’ютерні системи та компоненти. 2011. Т. 2. Вип. 1.

Схожі:

Апаратно-програмний комплекс для зчитування аналогового сигналу з сенсорів iconПерелік дисциплін, які виносяться для вступу на освітньо-кваліфікаційний рівень магістра зі спеціальності «Метрологія та вимірювальна техніка»
Дискретизація сигналу у часі, суть І основні характеристики, період та частота дискретизації. Квантування аналогового сигналу (за...
Апаратно-програмний комплекс для зчитування аналогового сигналу з сенсорів iconПерелік дисциплін, які виносяться для вступу на освітньо-кваліфікаційний рівень магістра зі спеціальності «Метрологія та вимірювальна техніка»
Дискретизація сигналу у часі, суть і основні характеристики, період та частота дискретизації. Квантування аналогового сигналу (за...
Апаратно-програмний комплекс для зчитування аналогового сигналу з сенсорів iconПрограмний комплекс «Земля» Коротке описання розробки
Програмний комплекс (система) призначено для ведення комплексного обліку, аналізу І оцінки земельних ресурсів, об'єктів нерухомості...
Апаратно-програмний комплекс для зчитування аналогового сигналу з сенсорів iconПрограмний комплекс «Оренда» Коротке описання розробки
Програмний комплекс (система) призначено для ведення комплексного обліку об'єктів оренди (ділянки, будови, споруди), обліку документів...
Апаратно-програмний комплекс для зчитування аналогового сигналу з сенсорів iconПрограмний комплекс аналізу властивостей та характеристик графів
Анотація. Розроблено та реалізовано програмний комплекс, який аналізує дані графової структури, синтезує графи із заданими характеристиками,...
Апаратно-програмний комплекс для зчитування аналогового сигналу з сенсорів iconПрограмний комплекс «1С: Бухгалтерія 8 для України»
В. А. Кадієвський, В. В. Попова. Періодизація економічного розвитку національної макросистеми
Апаратно-програмний комплекс для зчитування аналогового сигналу з сенсорів iconФакультет електроніки Кафедра електроніки
Аналізуються принципи роботи твердотільних сенсорів температури, тиску, складу газових середовищ. Основна увага звертається на фізичні...
Апаратно-програмний комплекс для зчитування аналогового сигналу з сенсорів iconАкт впровадження
ПС07ас Верховскою О.І. у ході дипломного проектування на тему «Програмний комплекс розвиваючих комп’ютерних ігор для малюків віком...
Апаратно-програмний комплекс для зчитування аналогового сигналу з сенсорів iconАкт впровадження
ПС07ас Верховскою О.І. у ході дипломного проектування на тему «Програмний комплекс розвиваючих комп’ютерних ігор для малюків віком...
Апаратно-програмний комплекс для зчитування аналогового сигналу з сенсорів iconІнформаційна картка про інноваційну розробку
Назва розробки. Програмний комплекс аналізу властивостей та характеристик графів
Додайте кнопку на своєму сайті:
Документи


База даних захищена авторським правом ©zavantag.com 2000-2013
При копіюванні матеріалу обов'язкове зазначення активного посилання відкритою для індексації.
звернутися до адміністрації
Документи