Универсальный интерфейс преобразователя

Еще одной современной технологией, которая обращает на себя внимание, является универсальный интерфейс преобразователя (Universal Transducer Interface) фирмы Smartec, обеспечивающей интерфейсы для многих типов датчиковых элементов (первичных преобразователей): емкостных; платиновых резисторов; термисторов; резисторных мостов; потенциометров и т.д. Интерфейс имеет следующие функциональные возможности:

непрерывная автокалибровка смещения и усиления;

совместимость выходных сигналов с большим числом микроконтроллеров;

разрешение по точности – 13 бит;

низкая стоимость.

Недостатками данного интерфейса являются необходимость применения дублирующих датчиков для обеспечения коррекции дрейфа нуля и плохая расширяемость.

Одним из вариантов реализации «интеллектуального» датчика может послужить датчик, построенный на основе холловского полнооборотного преобразователя угла поворота ХДП-03 [111], функциональная схема которого приведена на рис. 8.2.

К «интеллектуальным» возможностям этого датчика можно отнести: коррекцию погрешностей температурного дрейфа; выдачу на выходе значения угла в цифровом виде, не требующем дополнительной обработки. Так же имеется возможность самотестирования, перепрограммирования режимов работы, поддержка стандарта цифрового интерфейса, совместимого с семейством P 1451 [112,113].

Расчет разрядности АЦП и необходимого объема внешней памяти при заданной точности угла поворота в 2,5 угловых минуты показал на необходимость использования 14–разрядного АЦП с объемом памяти 2 Mb. Это предъявляет серьезные требования к микропроцессорному модулю сбора данных с датчика угла поворота, которые могут быть обеспечены только с использованием средств автоматизированного проектирования. С повышением числа разрядов АЦП число итераций увеличивается. Это связано с тем, что аналитически трудно учесть паразитные эффекты, присущие как электронным компонентам, так и проводникам печатных плат при их взаимном влиянии.

В последнее десятилетие появились тенденции в минимизации размеров и энергопотребления, увеличение функциональных и вычислительных возможностей ДПА. Это связано с усовершенствованиями в кремниевой микрообрабатывающей технологии, которая открывает широкие возможности изготовления в едином корпусе сложных микроэлектромеханических систем, включающих в себя физический преобразователь информации, интегрированный с внутренним цифровым контроллером и системой управления.[114,115]. В этой связи существует возможность производства различных датчиков на одной производственной линии без ее изменений. Миниатюризация устройств связана еще и с тем, что они производятся, используя процессы, отработанные в технологии получения интегральных схем. С развитием технологии микроэлектромеханических систем развивается и соответствующая инструментальная база [116].

Результатом проекта по созданию интерфейса «интеллектуальных» датчиков стало семейство стандартов IEЕЕ Р 1451. Стандарты Р 1451.1 и Р 1451.2 практически реализованы, в то время как стандарты Р 1451.3 и Р 1451.4 еще дорабатываются. Рассмотрим обобщенную схему реализации датчиковой системы.

Распределенная система интеллектуальных датчиков состоит из сетевой магистрали, на которой находится множество узлов (рис. 8.3). Узлы могут быть классифицированы либо как датчиковые узлы, либо узлы контроллеров. Датчиковые узлы посылают данные в сеть, а узлы контроллеров накапливают данные из сети. В сети может быть более чем один узел контроллера. Сеть может не быть физической; например, возможна установка виртуальной сети через Internet.

Прототипный узел «интеллектуального» датчика состоит из трех элементов: физического преобразователя, сетевого интерфейса, и ядра процессор – память. Преобразователь определяет значение физической величины, которое измеряется и преобразовывается в электрический сигнал. Затем сигнал подается на АЦП. Процессор выполняет некоторую обработку данных и в зависимости от того, как датчик запрограммирован, результирующая информация может быть послана в сеть. Сетевые подключения управляются блоком интерфейса сети.

Рассмотренное является лишь функциональным разделением на блоки. Технология микроэлектромеханических систем потенциально позволяет реализовать все три блока в едином корпусе.

Прототипный узел контроллера (рис. 8.4) состоит из процессора, памяти, сетевого интерфейса и устройств ввода – вывода для связи с человеком. Он используется для сбора информации, программирования датчиковых узлов и обеспечения обратной связи с пользователем (в простейшем случае контроллером может служить ПЭВМ).

Датчиковый узел позволяет программировать другие датчиковые узлы, получая в результате высокосложное поведение системы. Расположение всех датчиков на общей сетевой шине дает возможность автоматического подключения компонентов в сеть, т.е. наиболее простую установку.

Узел интеллектуального датчика запоминает физические атрибуты преобразователей и компенсирует их на месте. Это позволяет заменять датчики без необходимости перекалибровки. Процессор используется для первоначальной обработки данных, т.е. на выход датчика передаются не сырые данные, как в традиционных датчиках, а уже полезная информация, с компенсацией по неинформативным параметрам (температура, электромагнитные помехи и т.д.). Например, если нет необходимости знать точную температуру в данной точке, а достаточно сведений о ее пороговом значении, то вместо непрерывного потока чтений информации о температуре, узел интеллектуального датчика посылает только одно сообщение при достижении температурного критерия. Таким образом, только желаемая информация посылается через сеть. Это приводит к резкому уменьшению ширины полосы пропускания, требуемой для поддержки каждого узла, и позволяет в одной сети расположить большее количество узлов.

Процессоры в сети интеллектуальных датчиков можно характеризовать как распределенный параллельный компьютер. Локальная обработка данных датчика на узлах позволяет манипулировать большими объемами полезной информации, которые в вычислительном отношении слишком велики, чтобы обработать их одиночному компьютеру.

В реальных «интеллектуальных» датчиках, поддерживающих семейство стандартов Р 1451, выделяют три основных функциональных узла:

сетеориентированный процессор;

модуль интерфейса интеллектуального преобразователя, т.е. обрабатывающая часть + измеряющая часть + интерфейс;

электронное описание преобразователя (Transducer Electronic Data Sheet – TEDS).

Основной идеей является то, что при переходе на новую среду передачи данных (сеть) не надо менять все датчики целиком, достаточно лишь заменить модули сетеориентированного процессора, при этом модуль интерфейса остается тот же. Таким образом используются все старые настройки, нет необходимости в перекалибровке датчиков, что уменьшает временные и материальные затраты на реорганизацию сети в целом. Модуль TEDS используется для предоставления пользователю различной информации о датчике: идентификация датчика в сети, информация о производителях, методах коррекции ошибок, тарировочные коэффициенты и т.д. Создание новой информационно-измерительной сети при этом сводится к следующим шагам:

выбор типа сети, приобретение соответствующих модулей сетеориентированного процессора, интерфейса и датчиков;

соединение модулей в сеть;

запись с помощью утилит в TEDS данных обо всех подключенных модулях;

инсталляция программных компонент, поставляемых с интерфейсом.

Дата добавления: 2015-08-13