автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.05, диссертация на тему:Многоканальные широкодиапазонные модули ввода частотных импульсных сигналов в ЭВМ

На правах рукописи

ВОЛОДИН СЕРГЕЙ МИХАЙЛОВИЧ

МНОГОКАНАЛЬНЫЕ ШИРОКОДИАПАЗОННЫЕ МОДУЛИ ВВОДА ЧАСТОТНЫХ ИМПУЛЬСНЫХ СИГНАЛОВ В ЭВМ

05.13.05 Элементы и устройства вычислительной техники и систем управления

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

МОСКВА

2006

Работа выполнена на кафедре «Управление и информатика в технических системах ГОУВПО Московского государственного института электроники и математики (технического университета)

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор Макаров В.В.

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор Рыбин В.М. кандидат технических наук, профессор Габидулин М.А.

Ведущая организация Российский Научный Центр «Курчатовский институт»

Защита состоится » ¿¿¿-¿-^/¡Я 2006г. в /¿> часов на заседании

диссертационного совета Д 212.133.03 ГОУВПО Московского государственного института электроники и математики (технического университета) по адресу: 109028, г. Москва, Б. Трехсвятительский пер., д. 1-3/12. стр.8

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке МИЭМ Автореферат разослан «^У7>•> ^^^ ^бг.

дата

Ученый се!фетарь диссертационного совета

кандидат технических наук, доцент_Леохин ЮЛ.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы диссертации. В системах автоматического управления, контроля, регулирования, телемеханики, в системах автоматизации научных исследований значительная часть необходимой информации поступает в аналоговой форме и имеется необходимость ее преобразования в двоичный код, которая осуществляется устройствами аналого-цифрового преобразования. Наиболее широко применяются в технике датчики с выходными сигналами в виде постоянных напряжений и соответствующие АЦП постоянных напряжений в двоичный код.

В то же время весьма эффективным является использование частотных датчиков физических величин, благодаря ряду их преимуществ: малым относительным погрешностям; высокой чувствительностью; высокой помехоустойчивости выходных частотных сигналов; простоте преобразования частотных сигналов в двоичный код. В настоящее время частотные датчики используются для преобразования широкого спектра различных физических величин: давлений; линейных и угловых перемещений; расходов; механических усилий и деформаций; толщины и уровней; температуры; удельных сопротивлений и проводимостей материалов; вибраций; скоростей вращения и ускорений и других.

В современных системах автоматического управления, регулирования, контроля информация поступает одновременно от большого числа датчиков различных физических величин. В этом случае сбор и преобразование информации выполняются с помощью многоканальных модулей ввода данных (МВД) в ЭВМ. К МВД в ЭВМ предъявляются высокие требования по точности, быстродействию, помехозащищенности и др.

Диссертация посвящена разработке методов преобразования, принципов построения, методов исследования точности, быстродействия и помехоустойчивости многоканальных модулей "-ввода выходных сигналов частотных импульсных датчиков в ЭВМ, отличающихся широким рабочим диапазоном частот входных импульсных сигналов.

Решение поставленной в диссертации задачи позволит:

широкодиапазонные многоканальные модули ввода частотных импульсных

создать отличающиеся высокими техническими характеристиками

сигналов в ЭВМ;

• уменьшить номенклатуру и стоимость разрабатываемых модулей ввода данных за счет расширенного рабочего диапазона преобразований.

Целью диссертационной работы является разработка эффективных методов широкодиапазонных многосигнальных преобразований «частота - код», структур и алгоритмов работы широкодиапазонных многоканальных модулей ввода частотных импульсных сигналов в ЭВМ; разработка методов исследования метрологических характеристик разработанных МВД в ЭВМ: рабочих диапазонов, погрешностей преобразования, информативности, времен преобразования.

Для достижения этой цели решены следующие задачи:

1. Проведен обзор датчиков физических величин с частотным выходом с целью формулировки требований к разрабатываемым МВД;

2. Выполнен сравнительный анализ и выбраны наиболее перспективные методы широкодиапазонных преобразований частотных сигналов в двоичный код;

3. Разработаны три метода многоканальных преобразований «частота -

код»;

4. Разработаны алгоритмы управления работой микропроцессорных МВД;

5. Разработаны методы анализа точности, быстродействия и помехоустойчивости МВД;

6. Проведен сравнительный анализ существующих и разработанных в диссертации МВД.

Методы исследования. Исследования проведены с помощью математических аппаратов математического анализа, теории вероятностей и математической статистики; теории измерений и теории автоматического регулирования; численных методов и методов системного программирования.

Достоверность научных положений, выводов и рекомендаций

подтверждается результатами моделирования на ЭВМ, корректностью используемых в исследованиях математических моделей.

Научная новизна и основные положения выносимые на защиту.

Исследование принципов построения, анализ достижимых технических характеристик разработанных широкодиапазонных модулей ввода частотных импульсных сигналов в ЭВМ позволили получить следующие выносимые на защиту новые научные результаты.

1. Методы многосигнальных широкодиапазонных преобразований частотных сигналов в двоичный код

2. Оригинальные структуры и алгоритмы управления работой микропроцессорных пшрокодиагазонных многоканальных модулей ввода частотных импульсных сигналов в ЭВМ.

3. Методы анализа точности, быстродействия, помехоустойчивости, достижимой ширины рабочего диапазона широкодиапазонных многоканальных модулей ввода частотных импульсных сигналов в ЭВМ.

Практическая значимость состоит в следующем:

• исследованы принципы построения помехоустойчивых высокоточных широкодиапазонных многоканальных модулей ввода частотных импульсных сигналов в ЭВМ, предназначенных для промышленных применений и научных исследований, способных работать с широким спектром частотных датчиков различных физических величин;

• разработаны и исследованы структуры и алгоритмы управления модулями ввода частотных импульсных сигналов в ЭВМ;

• получены предельные технические характеристики модулей ввода частотных импульсных сигналов в ЭВМ: точности, быстродействия, помехоустойчивости, ширины рабочего диапазона.

Проведенные исследования и разработки заложили основу производства широкодиапазонных высокоточных быстродействующих помехоустойчивых модулей ввода частотных импульсных сигналов в ЭВМ, предназначенных для систем автоматического управления, контроля и регулирования, систем телемеханики, систем автоматизации научных исследований.

Реализация результатов.

Полученные в диссертационной работе результаты использованы в НИР в рамках тематических планов НИР МИЭМ:

• 2002г. «Разработка методологии построения информационных систем, технических средств и программных продуктов в интересах обеспечения качества образовательного процесса»;

• 2003г. «Методология интеллектуальных систем управления в области технического образования»;

• 2004г. «Методология построения информационных систем, программных и технических средств в области высшего профессионального образования».

Результаты работы используются в учебном процессе кафедры Управление и информатика в технических системах ГОУ ВПО Московского Государственного института электроники и математики в дисциплинах «Метрология и измерения» и «Идентификация и диагностика технических систем управления».

Апробация работы. Основные теоретические и практические научные результаты, полученные в диссертации, докладывались и обсуждались на конференции студентов, аспирантов и молодых специалистов (Москва, МГИЭМ, 1998г); конференции студентов, аспирантов и молодых специалистов (Москва, МГИЭМ, 1999г); Международной школе-семинаре «Новые информационные технологию) (Судак, 1999г); конференции студентов, аспирантов и молодых специалистов (Москва, МГИЭМ, 2000г); Международной школе-семинаре «Новые информационные технологии» (Судак, 2000г); ЬУ научной сессии, посвященной Дню радио (Москва, 2000т); Международной школе-семинаре «Новые информационные технологии» (Судак, 2001г); конференции студентов, аспирантов и молодых специалистов, посвященной 40-летию МИЭМ (Москва, МИЭМ, 2002г).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 13 работ: 4 научные статьи в журналах «Измерительная техника» и «Датчики и системы»; 9 тезисов докладов на международных и всероссийских школах-семинарах и научно -технических конференциях.

Структура диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти глав и заключения, списка литературы, содержащего 64 наименования и трех приложений.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обосновывается актуальность выбранной темы, формулируются цель диссертации и задачи исследования, научная новизна и практическая значимость, основные положения, выносимые на защиту, излагаются методы исследования, вопросы апробации и публикаций.

В первой главе проведен обзор частотных датчиков и первичных измерительных преобразователей с частотным выходом, выпускаемых в настоящее время в России и странах СНГ. Рассматривались следующие технические характеристики: диапазон преобразуемой входной величины; амплитуды выходного импульсного напряжения; диапазон частот выходных сигналов; точность преобразования.

Проведенный обзор частотных датчиков подтвердил что, частотные импульсные датчики широко применяются в системах автоматического

управления, регулирования и контроля, системах телемеханики. Разрабатываются новые датчики и измерительные преобразователи с частотным выходом и требования, предъявляемые к их техническим характеристикам, неуклонно повышаются. Технические характеристики частотных датчиков следующие: амплитуды выходных импульсных напряжений лежат в диапазоне от 0,1 до 10В; диапазон частот выходных импульсных сигналов простирается от сотых долей Гц до десятков МГц; максимальные статические погрешности наиболее точных частотных датчиков принадлежат диапазону: от 0,01% до 0,1%.

Далее в диссертации проведен обзор известных методов аналого-цифрового преобразования частотных импульсных сигналов. Целью обзора являлась оценка состояния области широкодиапазонных преобразований частотных импульсных сигналов в двоичный код, выявление достоинств и недостатков с целью последующего выбора наиболее перспективных методов преобразования для разработки широкодиапазонных многоканальных модулей ввода частотных импульсных сигналов в ЭВМ.

Основными критериями оценки и сравнения методов аналого-цифрового преобразования частотных импульсных сигналов в двоичный код выбраны: точность и длительность преобразования; достижимый рабочий диапазон преобразуемых частот; сложность реализации метода преобразования. Рассмотрены восемь наиболее эффективных методов преобразования: прямой метод, прямой метод с умножением частоты, косвенный метод, метод параллельного преобразования, метод последовательного приближения, метод зависимого счета, комбинированный метод, адаптивный метод.

В процессе сравнительного анализа поставлены требования достижения погрешности преобразования порядка 0,01% и рабочего диапазона преобразований - от 0,01Гц до ЮОМГ'ц. Критериями сравнения выступают следующие технические характеристики: время преобразования и сложность реализации метода. Время преобразования существенно для применения МВД в системах автоматики и телемеханики, сложность реализации - для массового производства МВД.

Проведенный сравнительный анализ позволил сделать вывод, определивший ход дальнейшего исследования, и для разработки и исследования широкодиапазонных модулей ввода частотных импульсных сигналов в ЭВМ выбраны следующие методы преобразования: косвенный метод, метод зависимого счета и адаптивный метод, которые должны быть модифицированы с целью выполнения многоканальных преобразований.

Для оценки состояния области проводимых в диссертации исследований проведен обзор известных принципов построения и структур модулей ввода

частотных импульсных сигналов в ЭВМ. Рассмотренным МВД в ЭВМ присущи следующие существенные недостатки: одноканальность и (или) ограниченный диапазон преобразуемых частот и (или) невысокое быстродействие и (или) низкая точность преобразования частоты импульсного сигнала в двоичный код и (или) сложность структурной схемы.

Поэтому сделан вывод, что задача создания многоканальных широкодиапазонных помехоустойчивых высокоточных быстродействующих модулей ввода частотных импульсных сигналов в ЭВМ до настоящего времени не решена. Актуальной является разработка подобных МВД со следующими техническими характеристиками:

• числом каналов преобразования п=4 ...16.

• рабочими диапазонами преобразуемых частот от сотых долей Гц до единиц МГц (и выше);

• диапазоном амплитуд входных импульсных сигналов - 0,1.... 10В;

• максимальными относительными погрешностями преобразования не превышающими 0,01.....0,1%;

• высоким быстродействием;

• высоким подавлением помех общего н нормального видов.

Во второй главе разработан метод параллельных многоканальных преобразований п частотных импульсных сигналов в двоичный код с одновременной передачей результатов преобразований в центральную ЭВМ (ЦЭВМ). В основу этого метода положен косвенный метод преобразования, заключающийся в преобразовании периодов входных импульсных последовательностей в двоичный код и последующем определении по полученному двоичному коду неизвестных частот импульсных последовательностей, что существенно увеличивает скорость преобразования и расширяет рабочий диапазон преобразуемых частот.

В методе параллельных преобразований используется общая шкала времени для всех частотных сигналов; выполняются циклические параллельные преобразования периодов импульсных последовательностей в двоичные коды; конфликты между каналами преобразования разрешаются с помощью системы абсолютных приоритетов; результаты преобразований непрерывно передаются в центральную ЭВМ.

На рис. 1 представлена структурная схема МВД, в которой используется метод параллельных многосигнальных преобразований, состоящая из я идентичных параллельно работающих каналов преобразования.

Рис. 1 Параллельная структура широкодиапазонного модуля ввода частотных импульсных сигналов в ЦЭВМ

Частотные импульсные сигналы в^),...^^) поступают на входы МВД по аналоговым линиям связи с выходов частотных датчиков физических величин. В промышленных условиях работы эти сигналы подвергаются воздействию помех общего и нормального вида и их форма может быть далека от прямоугольной, вследствие линейных искажений в аналоговых линиях связи. С целью повышения точности преобразований, в схеме используются триггеры Шмига (ГШ) и устройства гальванической развязки (УТР), обеспечивающие снижение уровней помех общего и нормального видов, восстановление прямоугольной формы входных импульсных сигналов и защиту центральной части МВД от электрических перегрузок. Каждый из каналов преобразования содержит также формирователь временных интервалов (ФВИ),В качестве устройств управления во всех рассматриваемых далее МВД используются современные быстродействующие 16-разрядные микроконтроллеры (МК) с блоками захвата ЕРА1....ЕРА,, процессора внешних событий ПВС, таймером, двунаправленным последовательным портом (ДПП) обмена результатами преобразований и командами с ЦЭВМ.

В каждом канале преобразования выполняются аналогичные последовательности операций. Из поступающей на вход канала импульсной последовательности формируется меандр, передний и задний фронты которого синхронизированы с передними фронтами соседних импульсов исходной

импульсной последовательности. Длительность сформированных прямоугольных импульсов в идеальном случае равна периоду исходной импульсной последовательности.

Сформированный прямоугольный импульс i/t) поступает на один из входов МК, в памяти которого запоминаются вырабатываемые таймером МК значения моментов времени прихода переднего и заднего фронтов входного прямоугольного импульса. После прихода на вход МК обоих фронтов в нем определяется длительность прямоугольного импульса, равная периоду исходной импульсной последовательности, рассчитывается двоичный код частоты исходной импульсной последовательности, который передается в центральную ЭВМ.

В главе предложен алгоритм работы широкодиапазонного четырехканального МВД в ЭВМ, реализующего метод параллельных многоканальных преобразований частотных импульсных сигналов с учетом применения 16-разрядных микроконтроллеров фирмы Intel серии MCS-296. В соответствии с разработанным алгоритмом для целей последующего исследования точности и быстродействия МВД и их реализации на языке ассемблера была разработана управляющая программа.

В главе рассмотрены факторы, ограничивающие значения нижнего и верхнего пределов рабочего диапазона преобразуемых частот в случае параллельных многоканальных преобразований частоты импульсов в двоичный код, реализуемых с использованием параллельной структуры МВД в ЭВМ. Верхний предел рабочего диапазона преобразований находится из условия:

где п - число каналов преобразования; /с - частота счета таймера МК, [Зщ]^ -максимальная допустимая относительная методическая погрешность преобразования; г0! и Т02 - времена обработки в МК моментов захвата переднего и заднего фронтов импульсов; т„- время передачи результата в ЦЭВМ.

Нижний предел рабочего диапазона преобразований определяется частотой счета /с и емкостью Ст=2г таймера МК, где г - число двоичных разрядов последнего:

С помощью разработанной управляющей программы получены численные оценки максимальных времен обработки переднего щ и заднего т02 фронтов входных импульсов, при тактовой частоте работы МК /Т = 50МГц и длительности машинного цикла 40нс: г0/=2,92мкс, т02 =7,52. мкс. Время передачи результата

(1)

iumn> f0/CT=a'r.

(2)

преобразования в ЦЭВМ рассчитывалось определено при передаче сообщений по кабельной линии связи и составляет: г„=10,56мкс.

В этой главе представлен метод анализа точности и быстродействия многоканального широкодиапазонного модуля ввода частотных импульсных сигналов в ЭВМ с параллельной структурой.

Преобразуемый сигнал полагается бесконечной последовательностью положительных симметричных трапецеидальных (близких к прямоугольным) импульсов с амплитудой из диапазона Д? = нулевым начальным

уровнем, периодом Т„ длительностью т№ одинаковыми длительностями переднего и заднего фронтов т„ф=т3ф=тф. Характеристики преобразования блоков канала преобразования являются релейными с соответствующими номинальными значениями порогов срабатывания Щ ии Г/, Г/, 7/, £/о<1// и уровней выходных сигналов У0, Ут \У0, 1„ (рис.2).

Рис.2. Расчетная схема произвольного канала преобразования

Абсолютные отклонения этих значений от номинальных обозначены, соответственно, через AU0, AU¡, AV¡, AY¡, AI¡, AVq, AVm AW0f AWm Alo, AIm и полагаются гауссовыми взаимно некоррелированными случайными величинами с нулевыми математическими ожиданиями M[AUo]=M[AU|]=

M[AV,]=M[AY1]=M[AI,]=M[AVo]=M[AVm]=M[AWo]=M[AWm]=M[AIo]=M[AIm]=0 и известными дисперсиями o^AUo), cr2(AUi), ct2(AVj), cx^AYO, ct^AI]), «^(AVo), cr2(AVm), ct2(AW0), ^(AWJ, «^(AIO), ct^AIJ.

На преобразуемый сигнал S(t) накладывается аддитивная стационарная помеха n(t) нормального вида типа «белого шума» гауссова центрированная с известной дисперсией сРп.

Быстродействие параллельных преобразований оценено двумя показателями: длительностью преобразования единичного частотного сигнала z^, =ТХ -нс02 и длительностью цикла совместных параллельных преобразований п частотных сигналов Tnn=2Tx.

Пороги срабатывания блоков канала преобразования выбираются из условия малых вероятностей сбоев преобразований из-за действия помех, которые могут возникать в процессе преобразования, что необходимо для правильной работы широкодиапазонного модуля ввода частотных импульсных сигналов в ЭВМ.

В результате анализа получены выражение относительной систематической составляющей:

(3)

2глСт | (4-2/^3

и дисперсии относительной случайной составляющей статической погрешности преобразования частоты импульсов:

+2

iK-Kj

^(afl+c^)-

+2

I, /о! pj I '

l-i-Oif^

1 /

(4)

где - номинальная частота счетных импульсов (счета таймера МК); f„-fT! 4, /г - тактовая частота работы МК.

Оценка сверху максимальной относительной статической погрешности преобразования в предположении нормальных законов распределения погрешностей преобразований и равномерного закона распределения погрешности квантования имеет следующий вид:

Sfx.max«SfJtc+(2....3)a(5fx). (5)

С помощью полученных выражений проведено исследование на ЭВМ достижимых технических характеристик МВД с параллельной структурой. Исследование проводилось при следующих исходных данных: частота счета МК far 12,5 МГц; разрядность таймера МК г=32; пороги срабатывания триггера Шмитта U(r 0,01В, U,= 0,05В; длительность фронтов преобразуемых импульсов ц

< 0,005ТХ; пороги срабатывания блоков канала преобразования Р)=7/=//= 1,5В; уровни выходных сигналов блоков канала преобразования Ут=Ягт=1т= ЗВ, 0,2В; времена срабатывания ТШ - гс/= 0,05мкс; УТР - тс2= 0,1мкс; ФВИ - Гсг= 0,05мкс; средние квадратические отклонения значений параметров от номинальных

a(5Sm)=a(5Io)=^(SVo)==0(5Wo)=a(5U1)=o(5V1)=a(SY1)==cг(5Wm)=a(5Vm)= сг(511)=а(51т)= ст(5хф)= ст(5та)=1 %, для /=1,4; относительная систематическая погрешность установки частоты счета таймера <§га,гС=10"5, дисперсия <т(5^и)=0,3 * 10"

6; дисперсия помехи нормального вида стп=1мВ; постоянная составляющая ип = 200В и амплитуда гармонической составляющей ига = 1000В, частотой 50Гц помехи общего вида; коэффициенты подавления постоянной и гармонической составляющих помехи общего вида Кппов(0)= КпповС^о^ 80дБ.

Для значений каналов преобразований от 2 до 16 при 8т= 10В получены значения верхнего и нижнего пределов рабочего диапазона преобразований. Нижний предел составляет 0,003 Гц, значения верхнего предела в зависимости от числа каналов от 6,4 кГц до 147,5 кГц. С ростом числа каналов преобразования практически пропорционально снижается верхний предел рабочего диапазона частот. С учетом этого обстоятельства дальнейшие характеристики получены для числа каналов равного 4. Проведено исследование точности преобразования при трех значениях амплитуд входных сигналов 0,2В, 1В, 10В.

С целью анализа помехоустойчивости МВД в главе проведены исследования точностных характеристик модуля в случаях: отсутствия помех; наличия помех среднего уровня; действия помех высокого уровня, которые показали, что при условии выполнения сформулированных в диссертации требований к параметрам МВД, метод параллельных многоканальных преобразований обеспечивает высокую точность в широком диапазоне частот, близкое к оптимальному быстродействие -сПр>тш=:0,066мс, высокую помехоустойчивость, широкий рабочий диапазон преобразований - 140 дБ. Динамический диапазон амплитуд частотных сигналов составляет 40дБ; коэффициенты подавления помех общего и нормального вида, соответственно - 80... 100дБ и 40дБ.

Быстродействие и информативность разработанного модуля ввода частотных импульсных сигналов в ЭВМ существенно превышают аналогичные технические характеристики существующих аналогов. Значение нижнего предела рабочего диапазона разработанного МВД удовлетворяет современным требованиям. Однако, значение верхнего предела ограничено быстродействием современных микроконтроллеров, необходимостью обработки фронтов частотных сигналов и

временем передачи результатов преобразований в ЦЭВМ. Это обстоятельство определило необходимость проведения дальнейших исследований.

В третьей главе диссертации предлагается модифицированный метод зависимого счета, согласно которому выполняются параллельные преобразования п входных частотных импульсных последовательностей. Метод реализуется с помощью разработанного МВД, структурная схема которого включает п аналогичных каналов преобразования (рис. 3).

Произвольный канал преобразования из KIIj содержит триггер Шмитта (ТШ); устройство гальванической развязки (УТР); двоичный счетчик числа измеряемых импульсов (СИ); логические схемы временной задержки; электронные ключи Кл1 и Кл2; микроконтроллер (МК) с пятью портами: портом ввода статусных сигналов СПП,,...,СПП„-, портом ввода данных Nxi,...,Nx„; портом управления каналами преобразования с помощью управляющих сигналов замыкания ключей ЗКЛ],..., ЗКЛ„ и чтения данных 4Tj,..., ЧТП; портом блоков захвата, осуществляющих захват выходных сигналов от каналов преобразования КБЗ/,..., КБЗ„; портом блоков сравнения, вырабатывающих команды управления CECi, ...,СБС„ш, двунаправленным последовательным портом ввода - вывода (ДПП) для связи с ЦЭВМ.

Рис.3 Структурная схема широкодиапазонного модуля ввода частотных

сигналов в ЭВМ, построенного по методу зависимого счета

Преобразование производится за интервал времени, равный целому числу периодов входной импульсной последовательности, гарантирующему ему требуемую точность преобразований. С поступлением в канал преобразования первого входного импульса счетчиком импульсом начинается счет числа периодов преобразуемых импульсов. Счет продолжается в течении минимального интервала ' времени, обеспечивающего необходимую точность преобразования. Первый

появившийся после окончания этого интервала времени входной импульс является ч сигналом о конце преобразования. С его приходом блокируется счет импульсов по

этому каналу преобразования и выполняется чтение числа сосчитанных счетчиком импульсов, ввод этих данных в МК и обнуление счетчика импульсов для дальнейших преобразований. Возможные конфликты между каналами преобразования разрешаются с помощью системы абсолютных приоритетов МК.

Достоинством предложенного в диссертации метода является использование общей шкалы времени для всех п каналов преобразования, что позволяет существенно увеличить информативность МВД и расширить рабочий диапазон преобразуемых частот.

Разработан алгоритм работы четырехканального МВД реализующего предложенный метод, и управляющая программа на языке ассемблер микроконтроллера МС8-296. С ее помощью получены оценки времен обработки и передачи сообщений в ЦЭВМ при тактовой частоты МК 50МГц. Времена обработки прерываний МК, связанных с началом преобразования, окончанием минимального времени преобразования и концом преобразования равны: х01= 4,3мкс, Т02= 0,2мкс, т0з= 9,8мкс. Время передачи результатов преобразований в ЦЭВМ составляет т„= 10,6мкс.

Рассмотрены факторы, ограничивающие достижимые значения верхнего и нижнего пределов рабочего диапазона преобразуемых частот. Значение нижнего предела диапазона преобразований, как и в предыдущей схеме МВД, ограничивается частотой счета и разрядностью таймера микроконтроллера (2). Значение верхнего предела диапазона преобразуемых частот Гхпш определяет следующее выражение:

где тоз -время обработки, включающее время захвата импульса, фиксации и запоминания момента его появления, анализа числа переполнений двоичного счетчика импульсов, съема и запоминания его содержимого, расчета периода

преобразуемой частоты и передачи последнего в ДПП МК; /т находится из

выражения: <^1тах (/*) = \>0n > где; максимальная относительная

погрешность преобразования, [&JAи - допустимая методическая погрешность.

В третьей главе проведен анализ точности и быстродействия многоканального широкодиапазонного модуля ввода частотных импульсных *

сигналов в ЭВМ, построенного по методу зависимого счета, при тех же допущениях, что и в случае метода параллельных преобразований. *

В результате анализа получены выражения относительной систематической составляющей, дисперсии относительной случайной составляющей статической погрешности преобразования частоты импульсов и выражение максимальной относительной статической погрешности преобразования. Быстродействие преобразований оценивается длительностью преобразования единичного частотного сигнала

tnp=2Tx+tILmm. (7)

По результатам проведенного исследования на ЭВМ установлено, что значения верхнего и нижнего пределов рабочего диапазона преобразований не зависят от числа каналов преобразования п и амплитуды импульсов Sm. Достижимый нижний предел рабочего диапазона преобразований составляет 3 мГц, верхний предел составляет 101 кГц. В дальнейшем исследовались точностные характеристики четырехканального МВД. Проведен анализ помехоустойчивости.

Проведенные исследования показали, что применение разработанного в диссертации метода зависимого счета позволяет получить следующие технические характеристики МВД: малые погрешности преобразования 8fx>max= 0,01...1%; значения верхнего и нижнего пределов рабочего диапазона преобразований fxmm =0,003 Гц и /ътах =101,04 кГц; время преобразования в одном канале преобразования Хщ,= 2Tx+tn.min; динамический диапазон амплитуд частотных сигналов - 40дБ; динамический диапазон преобразуемых частот - 150 дБ; коэффициенты подавления помех общего вида - 80...100дБ и нормального вида -40 дБ.

Быстродействие и информативность разработанного модуля ввода частотных импульсных сигналов в ЭВМ существенно превышает аналогичные технические характеристики существующих аналогов (см. табл.1). Динамический диапазон преобразуемых частот расширен по сравнению с предложенным ранее методом параллельных преобразований в 2 раза.

В четвертой главе предложен адаптивный метод - многоканальных преобразований. Он является комбинацией метода параллельных преобразований на низких частотах и адаптивного метода преобразований на высоких частотах,

превышающих граничную частоту, равную 1кГц. С целью расширения рабочего диапазона МВД в области высоких частот применяется адаптация его параметров к значению преобразуемой частоты. На частотах превышающих граничную частоту 1кГц преобразование осуществляется за целое число т периодов входной импульсной последовательности, причем число периодов т адаптируется к значению преобразуемой частоты, это позволяет расширить диапазон преобразований частотных сигналов в область частот, равных единицам и десяткам мегагерц.

Структурная схема МВД, реализующая предложенный адаптивный метод многоканальных параллельных преобразований, представлена на рис.4.

Рис.4. Параллельная структура широкодиапазонного адаптивного модуля ввода частотных импульсных сигналов в ЦЭВМ

Структурная схема МВД включает п идентичных каналов преобразования. Каждый из каналов преобразования содержит триггер Шмитта (ТШ); устройство гальванической развязки (УТР); формирователь временных интервалов (ФВИ); 10 -разрядный двоичный счетчик импульсов (СИ); 6 - канальный коммутатор импульсных сигналов; микроконтроллер (МК).

В каждом из п каналов преобразования выполняется захват МК времени прихода переднего и заднего фронта выбранной коммутатором импульсной последовательности. После прихода обоих фронтов прямоугольного импульса в МК определяется длительность временного интервала, включающего от периодов

исходной импульсной последовательности. Далее в МК определяется частота входной импульсной последовательности, двоичный код которой передается в

Разработаны алгоритмы начальной адаптации, которая производится перед началом работы последовательно во всех каналах МВД, и алгоритм текущей адаптации, выполняемой в процессе многоканальных преобразований. После прихода команды начала преобразований выполняется начальная адаптация МВД время которой зависит от значения преобразуемой частоты и достигает наибольшего значения на нижнем пределе рабочего диапазона преобразуемых частот.

Блок-схемы программных блоков начальной и текущей адаптаций входят составными частями в разработанную блок - схему алгоритма работы МВД. Разработана управляющая программа на языке ассемблера микроконтроллеров серии МС8-296. С ее помощью получены оценки времен обработки передних и задних фронтов импульсов, поступающих на входы процессора внешних событий МК. При тактовой частоте работы МК /т=50МГц они составляют: г0/ = 2,92мкс и т02 - 11,8мкс; время передачи результатов преобразований в ЦЭВМ равно 38,5мкс.

Значение верхнего предела рабочего диапазона преобразований не зависит от числа каналов преобразования п и ограничено сверху максимальной рабочей частотой УТР, которая у лучших образцов этих устройств составляет 10 МГц. При модификации структурной схемы МВД (рис.4) частота /х _ может быть повышена до значений максимальной частоты работы остальных блоков измерительного канала (ТШ, ФВИ, СИ), достигающей значений (100...250) МГц. Модификация заключается в перестановке УТР на выходы коммутаторов К и выход ПУ,

Разработан метод анализа точности адаптивных преобразований. Получены выражения относительной систематической составляющей и дисперсии случайной составляющей погрешности преобразования, а также максимальной относительной статической погрешности преобразования.

Выражение времени преобразования единичного частотного импульсного сигнала имеет вид:

Проведенные исследования показали, что при условии выполнения сформулированных требований к параметрам МВД адаптивный метод многоканальных преобразований обеспечивает малые погрешности преобразования преобразований 5^с>тях=0,001...0,01% в широком диапазоне от

ЦЭВМ.

2Гх при /х<, 1кГц; ЪпТ при£> 1кГц.

единиц миллигерц до единиц мегагерц, близкое к оптимальному быстродействие, высокую помехоустойчивость, широкий диапазон преобразований. Динамический диапазон амплитуд частотных сигналов составляет 40дБ; коэффициенты подавления помех общего и нормального вида, соответственно - 80...100дБ и 40дБ, динамический диапазон преобразуемых частот - 170 дБ. Основным недостатком адаптивного метода преобразований является значительное время адаптации на низких частотах.

В пятой главе проводится сравнение технических характеристик разработанных в диссертации модулей ввода частотных импульсных сигналов в ЭВМ с техническими характеристиками известных аналогичных МВД. Технические характеристики описанных в отечественных и иностранных источниках и разработанных в диссертации МВД сведены в табл. 1. Критериями сравнения являются следующие технические характеристики:

• погрешности преобразования;

• коэффициенты подавления помех общего и нормального вида;

• значения нижнего и верхнего пределов и ширина динамического диапазона преобразований частот;

• время преобразования одного частотного сигнала (зависящее от значения преобразуемой частоты);

• информативность МВД Рпр^.

Таблица 1

Метод tVijimim MC fxmin> ГЦ Îcjna» КГЦ F

преобразований кГц

IEEE transactions 4 500 40 2

on industrial 40 50 50 60 0,2

electronics 400 5 80 0,02

10 100 250 68 0,8

L-CARD 100 10 250 88 0,08

1000 1 32 90 0,008

Sm=10B 0,066 29,89 140 60,6

[11 Sm=lB 0,066 0,003 29,89 140 60,6

Sm=0,lB 0,36 5,5 125 11,1

Sm=10B 0,82 101,04 150

[2] Sm=lB 0,82 0,003 101,04 150 4,8

Sm=0,lB 0,84 45,50 143

Sm=10B

[3] Sm=lB 2 0,003 1024 170 2

Sm=0,IB

Технические характеристики Тщ, и F„p. разработанных в диссертации МВД зависят от значения преобразуемых частот, поэтому в соответствующих столбцах табл. 1 приведены их предельные значения: тттт и F^j,^. В табл. 1 приведены также оцененные в диссертации по техническим данным приведенным в каталоге L-CARD и ШЕЕ transactions on industrial electronics технические характеристики известных МВД: минимальное время преобразования пределы рабочего

диапазона преобразуемых частот /хт1„ и ширина динамического диапазона преобразуемых частот Dfu информативность F^j^.

Разработанные в диссертации МВД обладают существенно более широком рабочим диапазоном частот по сравнению с известными МВД. На частотах от 1мГц до 10 Гц относительные погрешности преобразования разработанных МВД не превышает 0,002%, что обеспечивает эффективные преобразования выходных сигналов разрабатываемых промышленностью высокоточных частотных датчиков. С ростом частоты свыше 10 Гц погрешности МВД с параллельной структурой и работающих по методу зависимого счета возрастают, что ограничивает сверху их рабочий диапазон преобразований. Наиболее высокие точностные характеристики обеспечивает адаптивный метод преобразования: относительные погрешности преобразований не превышают 0,01% в широком диапазоне частот - от 3 мГц до 1МГц. Существующие МВД значительно уступают адаптивному МВД по ширине диапазона преобразования, быстродействию, помехоустойчивости и информативности. Динамический диапазон преобразуемых частот адаптивного МВД составляет 170дБ. Снижение времени преобразования разработанных в диссертации МВД обеспечивает существенное снижение динамических погрешностей измерений систем автоматического управления и систем телемеханики, возникающих в процессе преобразований изменяющихся во времени управляемых и контролируемых физических величин.

Относительные погрешности преобразования разработанных в диссертации МВД порядка 0,01...0,1% в рабочем диапазоне частот преобразуемых сигналов от единиц мГц до единиц МГц удовлетворяют современным требованиям, предъявляемым к подобным МВД.

В заключении приведены следующие научные и практические результаты полученные в диссертации:

1. Сформулированы современные технические требования к широкодиапазонным многоканальным модулям ввода частотных импульсных сигналов в ЭВМ: числу каналов преобразования, рабочим диапазонам преобразуемых частот, диапазонам амплитуд входных импульсных сигналов,

коэффициентам подавления помех общего и нормального видов, относительным погрешностям преобразования, времени преобразования.

2. Проведен сравнительный анализ методов преобразования частоты импульсов в двоичный код и выбраны наиболее перспективные методы для целей разработки широкодиапазонных высокоточных быстродействующих помехоустойчивых модулей ввода частотных импульсных сигналов в ЭВМ.

3. Предложены три метода параллельных многоканальных преобразований частотных импульсных сигналов в двоичные коды:

• с параллельной структурой;

• модифицированный метод зависимого счета;

• адаптивный метод многоканальных преобразований.

4. Разработаны структурные схемы многоканальных МВД, реализующие предложенные в диссертации методы параллельных многосигнальных преобразований. Для каждого МВД разработаны содержательные алгоритмы и программы управления на языке ассемблера 16-разрядных микроконтроллеров.

5. Предложены методы исследования точности, быстродействия и помехоустойчивости модулей ввода частотных импульсных сигналов в ЭВМ, в которых используются предлагаемые методы. Проведены исследования на ЭВМ и получены технические характеристики МВД.

На основании проведенного в диссертации исследования можно сделать следующий вывод. Разработанные в диссертации МВД существенно превосходят по своим характеристикам аналогичные существующие. Полученные в диссертации результаты являются решением сформулированной в диссертации технической проблемы.

В приложении приведены тексты управляющих программ широкодиапазонных многоканальных модулей ввода частотных импульсных сигналов в ЭВМ, написанные на языке ассемблера для 16-разрядных микроконтроллеров типа МС8-296, и акты внедрения научных и практических результатов диссертации.

СПИСОК ПУБЛИКАЦИЙ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

1. С.М. Володин. Сравнительный анализ методов функционирования модулей ввода частотных сигналов в ЭВМ. //Тезисы докладов конференции студентов, аспирантов и молодых специалистов //М., МГИЭМ, 1998. С.229.

2. С.М. Володин. Анализ широкодиапазонных методов аналого-цифрового преобразования частоты импульсов.//Тезисы докладов конференции студентов, аспирантов и молодых специалистов //М., МГИЭМ, 1999. С.177-178.

3. С.М. Володин. Анализ методов построения универсальных модулей ввода частотных сигналов в ЭВМ.//Тезисы докладов Международной школы-семинара «Новые информационные технологии»// Судак. 1999. С.91.

4. С.М. Володин. Методы преобразования частотных сигналов датчиков физических величин.// Труды ЬУ научной сессии, посвященной Дню радио. Москва, 2000.

5. С.М. Володин. Широкодиапазонный модуль ввода частотных сигналов в ЭВМ с параллельной структурой. //Тезисы докладов конференции студентов, аспирантов и молодых специалистов //М., МГИЭМ, 2000. С.257-258.

6. С.М. Володин. Широкодиапазонный модуль ввода частотных сигналов в ЭВМ с зависимым счетом.//Тезисы докладов Международной школы-семинара «Новые информационные технологии»// Судак. 2000. С.177-178.

7. С.М. Володин. Широкодиапазонный адаптивный модуль ввода частотных сигналов в ЭВМ.//Тезисы докладов Международной школы-семинара «Новые информационные технологии»// Судак. 2000. С.178-179.

8. С.М. Володин. Исследование достижимых технических характеристик широкодиапазонного модуля ввода частотных сигналов в ЭВМ с параллельной структурой. //Тезисы докладов Международной школы-семинара «Новые информационные технологии»// Судак. 2001. С.71-72.

9. С.М. Володин. Исследование точности и быстродействия широкодиапазонного модуля ввода частотных сигналов в ЭВМ с параллельной структурой. //Тезисы докладов конференции студентов, аспирантов и молодых специалистов //М., МГИЭМ, 2002. С.262-264.

10. С.М. Володин, В.В. Макаров. Метод параллельных широкодиапазонных измерений частотных импульсных сигналов.//Датчики и системы.2002„№>1. С.22-25.

11. С.М. Володин, В.В. Макаров. Анализ точности и быстродействия четырехканального широкодиапазонного модуля ввода частотных импульсных сигналов в ЭВМ.//Датчики и системы. 2002. №12.

12. С.М. Володин, В .В. Макаров. Многоканальные широкодиапазонные измерения частотных импульсных сигналов с использованием модифицированного метода зависимого счета. //Датчики и системы. 2004. №12.

13. В.В. Макаров, С.М. Володин, Адаптивный широкодиапазонный многоканальный модуль ввода частотных импульсных сигналов в ЭВМ.//Измерительная техника. 2004. №4.

ИД N8 06117 от 23.10.2001

Подписано в печать 26.02.2006. Формат 60x84/16. Бумага типографская № 2. Печать - ризография. Усл. печ. л. 1,4 Тираж 100 экз. Заказ МО .

Московский государственный институт электроники и математики 109028, Москва, Б.Трехсвятительский пер., 3/12.

Центр оперативной полиграфии (095) 916-88-04, 916-89-25

JUxpóA VW?

i- 44 0 7

ВВЕДЕНИЕ.

ГЛАВА 1. Постановка задачи исследования и выбор перспективных путей построения широкодиапазонных модулей ввода частотных импульсных сигналов в ЭВМ.

§1.1. Обзор частотных датчиков и преобразователей с частотным выходом систем автоматического управления.

§ 1.2. Обзор методов преобразования частотных импульсных сигналов в двоичный код.

§ 1.3. Сравнительный анализ и выбор наиболее перспективных методов преобразования.

§ 1.4. Обзор известных принципов построения и структур модулей ввода частотных импульсных сигналов в ЭВМ.

Выводы по главе 1.

Глава 2. Исследование точности и быстродействия многоканальных широкодиапазонных модулей ввода частотных импульсных сигналов в

ЭВМ с параллельной структурой.

§2.1. Метод параллельных преобразований частотных импульсных сигналов в двоичный код и структурная схема его реализации.

§2.2. Алгоритм работы многоканального широкодиапазонного модуля ввода частотных импульсных сигналов в ЭВМ.

§2.3. Исследование факторов, определяющих возможности метода параллельных преобразований частотных импульсных сигналов.

§2.4. Метод анализа точности многоканального широкодиапазонного модуля ввода частотных импульсных сигналов в ЭВМ.

§2.5. Результаты исследования характеристик модулей ввода частотных импульсных сигналов в ЭВМ с параллельной структурой.

Выводы по главе 2.

Глава 3. Исследование точности и быстродействия многоканальных широкодиапазонных модулей ввода частотных импульсных сигналов в

ЭВМ, основанных на методе зависимого счета.

§3.1. Преобразование частотных импульсных сигналов в двоичный код по модифицированному методу зависимого счета и структурная схема его реализации.

§3.2. Алгоритм работы многоканального широкодиапазонного модуля ввода частотных импульсных сигналов в ЭВМ в соответствии с модифицированным методом зависимого счета.

§3.3. Исследование факторов, определяющих возможности модифицированного метода зависимого счета для многоканальных преобразований частотных импульсных сигналов.

§3.4. Метод исследования точности многоканального широкодиапазонного модуля ввода частотных импульсных сигналов в ЭВМ, в котором используется модифицированный метод зависимого счета.

§3.5. Результаты исследования характеристик точности и быстродействия модуля ввода частотных импульсных сигналов в ЭВМ, основанного на модифицированном методе зависимого счета.~

Выводы по главе 3.

Глава 4. Исследование точности и быстродействия адаптивных многоканальных широкодиапазонных модулей ввода частотных импульсных сигналов в ЭВМ.

§4.1. Адаптивный метод параллельных многосигнальных преобразований частотных импульсных сигналов в двоичный код и структурная схема его реализации.

§4.2. Алгоритмы адаптации и исследование факторов, определяющих возможности адаптивного многоканального широкодиапазонного модуля ввода частотных импульсных сигналов в ЭВМ.

§4.3. Метод исследования точности адаптивного многоканального широкодиапазонного модуля ввода частотных импульсных сигналов в

§4.4. Результаты исследования точности и быстродействия адаптивного многоканального модуля ввода частотных импульсных сигналов в ЭВМ

Выводы по главе 4.

Глава 5. Сравнение метрологических характеристик многоканальных широкодиапазонных модулей ввода частотных импульсных сигналов в

§5.1. Результаты сравнения метрологических характеристик многоканальных широкодиапазонный модулей ввода частотных импульсных сигналов в

В системах автоматического управления, контроля и регулирования, а также в системах автоматизации научных исследований значительная часть необходимой информации поступает в аналоговой форме и имеется необходимость ее обработки цифровыми методами.

Обработка аналоговых сигналов цифровыми методами аппаратно поддерживается устройствами аналого-цифрового преобразования. Наиболее широко применяются в технике датчики с выходными сигналами в виде постоянных напряжений и соответствующие аналого-цифровые преобразователи постоянных напряжений в двоичный код.

В то же время перспективным является использование частотных датчиков физических величин, благодаря ряду преимуществ их выходных частотных сигналов: помехоустойчивости, простоте и высокой точности преобразования частоты в код [1,4,5,24,25,28].

Этим объясняется постоянный интерес к разработке частотных датчиков физических величин. В настоящее время частотные датчики используются для преобразования широкого спектра различных физических величин: давлений; линейных и угловых перемещений; расходов; механических усилий и деформаций; толщины и уровней; температуры; удельных сопротивлений и проводимостей материалов; вибраций; скоростей вращения и ускорений и других [1,3,26,27,29, 48,49,51,52].

Широкая область применения частотных датчиков объясняется их следующими достоинствами:

• малыми относительными погрешностями;

• высоким быстродействием;

• высокой помехоустойчивостью выходных частотных сигналов;

• простотой преобразования частотных сигналов в двоичный код.

В современных системах автоматического управления, регулирования, контроля информация поступает одновременно от большого числа датчиков

ВВЕДЕНИЕ различных физических величин. В этом случае сбор и преобразование информации выполняются с помощью модулей ввода данных в ЭВМ. К модулям ввода данных в ЭВМ предъявляются высокие требования по точности, быстродействию, помехозащищенности, универсальности, экономичности, малым габаритам и др [30,31,61,63,64].

В диссертации исследуется проблема создания универсальных широкодиапазонных модулей ввода частотных импульсных сигналов в ЭВМ. Принципы построения и отдельные структуры подобных модулей ввода частотных импульсных сигналов в ЭВМ описаны в [6,7,23,30-33,35-37,40,53-59,61-64].

В [58] рассмотрен модуль ввода данных в ЭВМ, содержащий коммутатор п частотных сигналов, п параллельно работающих преобразователей частота - код, коммутатор результатов их преобразований, блок интерфейса и логического управления, буфер хранения результатов преобразований. Предлагаемый в [58] метод преобразования обеспечивает невысокое быстродействие, ограниченное временем преобразования сигнала наименьшей частоты. Верхний предел рабочего диапазона преобразуемых частот fmax принципиально ограничивается сверху числом входов п и максимальной частотой коммутации fkm: fmax=fkn/(2n). Так, например, при^т=1Мгц и п=8 получаем/лаг=62,5кГц.

В [61] рассмотрен модуль ввода, содержащий микро-ЭВМ с программным таймером и параллельным портом ввода 8-и частотных сигналов, 8 формирователей прямоугольных импульсов длительностью, равной периоду входного сигнала. В модуле выполняются параллельные прямые преобразования частот импульсов. В рабочем диапазоне (60.600)Гц частоты сигналов преобразуются в двоичный код с максимальной относительной погрешностью 0,1% за время, равное 50мс. Недостатками модуля являются невысокое быстродействие и узкий диапазон преобразуемых в двоичный код частот.

Предложенный в [53] модуль ввода частотных импульсных сигналов в ЭВМ включает шесть идентичных параллельно работающих преобразователей частота-код, блок селекции адресов и дешифрации команд, схему арбитража запросов на обслуживание и маскировки прерываний ЭВМ. На высоких частотах используется прямой метод преобразования частоты, на низких частотах - косвенный метод

ВВЕДЕНИЕ преобразования в двоичный код периода импульсов. Рабочий диапазон преобразований составляет 0,05 Гц.1МГц, относительная погрешность не превышает 0,05%. Однако, время преобразования достаточно велико: на частотах свыше 1кГц оно составляет 2с.

Рассмотренным модулям ввода частотных импульсных сигналов в ЭВМ присущи следующие существенные недостатки: ограниченный диапазон преобразуемых частот и (или) невысокое быстродействие и (или) низкая точность и (или) невысокая помехоустойчивость преобразования частоты импульсного сигнала в двоичный код.

В диссертации предлагается решение этой проблемы. Проводятся исследования путей построения универсальных широкодиапазонных помехозащищенных высокоточных многоканальных модулей ввода в ЭВМ частотных импульсных сигналов, снимаемых с выходов частотных датчиков различных физических величин. Разработка подобных модулей ввода частотных импульсных сигналов в ЭВМ позволит сократить номенклатуру, снизить стоимость разработки и изготовления модулей ввода данных, время решения научно-технических задач, сократить время обработки и передачи в ЭВМ информации, снимаемой с выходов частотных датчиков, повысить точность преобразования.

Для дальнейшего исследования в диссертации выбраны наиболее перспективные методы многосигнальных преобразований частота - код. Показано, что необходимые широкий рабочий диапазон, точность, быстродействие модулей ввода частотных импульсных сигналов в ЭВМ обеспечивают следующие методы преобразования: метод параллельных преобразований, метод зависимого счета и метод адаптивных преобразований. В диссертации разрабатываются и исследуются структурные схемы универсальных широкодиапазонных модулей ввода частотных импульсных сигналов в ЭВМ, в которых используются некоторые из этих методов. Исследуются точность, быстродействие, ограничения на достижимый рабочий диапазон широкодиапазонных модулей ввода частотных импульсных сигналов в ЭВМ.

Актуальность темы диссертации. Диссертация посвящена разработке принципов построения и исследованию технических характеристик широкодиапазонных универсальных модулей ввода выходных сигналов частотных импульсных датчиков в ЭВМ, отличающихся высокой точностью, быстродействием, большим числом преобразуемых сигналов, универсальностью, помехоустойчивостью и широким диапазоном преобразования.

Решение поставленной в диссертации задачи позволит:

• создать универсальные широкодиапазонные модули ввода частотных импульсных сигналов в ЭВМ;

• уменьшить номенклатуру и стоимость разрабатываемых модулей ввода данных;

• выполнять преобразования в двоичный код сигналов, частота которых меняется в широком диапазоне.

Целью диссертации является выбор перспективных принципов построения структур модулей ввода частотных импульсных сигналов в ЭВМ; разработка принципов действия и алгоритмов работы этих структур; исследование технических характеристик универсальных широкодиапазонных модулей ввода частотных импульсных сигналов в ЭВМ: рабочих диапазонов, погрешностей преобразования, времен преобразования.

Рассматриваемые в диссертации задачи:

1. Сравнительный анализ и разработка наиболее перспективных структур построения модулей ввода частотных импульсных сигналов в ЭВМ.

2. Исследование достижимых технических характеристик модулей ввода данных: точности, быстродействия, ширины рабочего диапазона.

3. Сравнительная оценка различных структур универсальных широкодиапазонных модулей ввода частотных импульсных сигналов в ЭВМ.

4. Разработка алгоритмов управления работой микропроцессорных г модулей ввода данных.

Методы исследования. Исследования проведены с помощью математических аппаратов линейной алгебры и математического анализа, теории вероятностей и математической статистики; теории измерений и теории автоматического регулирования; численных методов и методов системного программирования.

Достоверность научных положений, выводов и рекомендаций подтверждается результатами моделирования на ЭВМ, корректностью используемых в исследованиях математических моделей и выводов, публикациями полученных результатов в отечественной печати и обсуждением докладов на научно-технических конференциях.

Научная новизна и основные положения выносимые на защиту.

Исследование принципов построения, анализ достижимых технических характеристик универсальных широкодиапазонных модулей ввода частотных импульсных сигналов в ЭВМ позволили получить следующие выносимые на защиту новые научные результаты.

1. Структуры универсальных широкодиапазонных модулей ввода частотных импульсных сигналов в ЭВМ.

2. Методы анализа точности и быстродействия, ограничений на ширину рабочего диапазона универсальных широкодиапазонных модулей ввода частотных импульсных сигналов в ЭВМ.

3. Алгоритмы управления и работой микропроцессорных универсальных широкодиапазонных модулей ввода частотных импульсных сигналов в ЭВМ.

Практическая значимость состоит в следующем:

• исследованы принципы построения универсальных помехоустойчивых высокоточных широкодиапазонных модулей ввода частотных импульсных сигналов в ЭВМ, предназначенных для промышленных применений и научных исследований, способных работать с широким спектром частотных датчиков различных физических величин;

• разработаны и исследованы структуры и алгоритмы управления модулями ввода частотных импульсных сигналов в ЭВМ;

• получены предельные технические характеристики модулей ввода частотных импульсных сигналов в ЭВМ: характеристики точности, быстродействия, помехоустойчивости, ширины рабочего диапазона. 8

ВВЕДЕНИЕ

Проведенные исследования позволяют разрабатывать широкодиапазонные помехоустойчивые высокоточные быстродействующие модули ввода частотных импульсных сигналов в ЭВМ для систем автоматического управления, регулирования и контроля, систем автоматизации научных исследований.

Реализация результатов.

Полученные в диссертационной работе результаты использованы в НИР в рамках тематических планов НИР МИЭМ:

• 2002г. «Разработка методологии построения информационных систем, технических средств и программных продуктов в интересах обеспечения качества образовательного процесса»;

• 2003г. «Методология интеллектуальных систем управления в области технического образования»;

• 2004г. «Методология построения информационных систем, программных и технических средств в области высшего профессионального образования».

Результаты работы используются в учебном процессе кафедры Управление и информатика в технических системах ГОУ ВПО Московского Государственного института электроники и математики в дисциплинах «Метрология и измерения» и «Идентификация и диагностика технических систем управления».

Апробация работы. Основные теоретические и практические результаты, полученные в диссертации, докладывались и обсуждались на конференции студентов, аспирантов и молодых специалистов (Москва, МГИЭМ, 1998г); конференции студентов, аспирантов и молодых специалистов (Москва, МГИЭМ, 1999г); Международной школе-семинаре «Новые информационные технологии» (Судак, 1999г); конференции студентов, аспирантов и молодых специалистов (Москва, МГИЭМ, 2000г); Международной школе-семинаре «Новые информационные технологии» (Судак, 2000г); LV научной сессии, посвященной Дню радио (Москва, 2000г); Международной школе-семинаре «Новые информационные технологии» (Судак, 2001 г); конференции студентов, аспирантов и молодых специалистов, посвященной 40-летию МИЭМ (Москва, МИЭМ, 2002г).

ВВЕДЕНИЕ

Публикации. По теме диссертации опубликовано 14 работ: 4 научные статьи в журналах «Измерительная техника» и «Датчики и системы»; 9 тезисов докладов на международных и всероссийских школах-семинарах и научно -технических конференциях.

Структура диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти глав и заключения.

Основные результаты диссертации.

1. Проведен сравнительный анализ методов преобразования частоты импульсов в двоичный код для целей разработки универсальных широкодиапазонных быстродействующих высокоточных модулей ввода частотных импульсных сигналов в ЭВМ.

2. Определены технические требования, предъявляемые к широкодиапазонным многоканальным модулям ввода частотных импульсных сигналов в ЭВМ: число каналов преобразования п=4.Л6; рабочий диапазон преобразуемых частот от сотых долей Герц до десятков МГц; диапазон амплитуд входных импульсных сигналов - 0,2. 10В; коэффициенты подавления помех общего вида - 100 дБ; относительные погрешности преобразования -0,01.0,1%; высокое быстродействие до единиц мс.

3. Разработаны три оригинальных метода параллельных многосигнальных преобразований частотных импульсных сигналов в двоичные коды: с параллельной структурой, по методу зависимого счета, модифицированный адаптивный метод.

4. Разработаны три структурные схемы, реализующие все предложенные методы параллельных многосигнальных преобразований. Для каждой структуры разработаны алгоритмы управления работой модулей ввода частотных импульсных сигналов в ЭВМ.

5. Разработаны методы исследования точности и быстродействия модулей ввода частотных импульсных сигналов в ЭВМ, в которых используются три предложенных метода параллельных многосигнальных преобразований.

6. Проведены количественные исследования точности и быстродействия, получены предельно достижимые технические характеристики модулей ввода данных, реализующих три метода параллельных многосигнальных преобразований.

Разработанные в диссертации МВД обеспечивают предельные относительные погрешности преобразования, не превышающие 0,01.0,1% в широком диапазоне частот преобразуемых сигналов -от единиц миллигерц до единиц мегацерц, что удовлетворяет современным техническим требованиям, предъявляемым к подобным МВД. Это подтверждается сравнительным анализом разработанных в диссертации и известных аналогичных модулей ввода частотных импульсных сигналов в ЭВМ. Разработанные в диссертации МВД могут использоваться на разных диапазонах: модули с параллельной структурой и по методу зависимого счета имеет смысл использовать на низких частотах: от единиц миллигерц до единиц килогерц; адаптивный модуль обладающий невысоким быстродействием в области низких частот, но более широким рабочим диапазоном можно использовать при работе на высоких частотах: до единиц мегацерц.

1. Д.В. Абрамов, М.А. Заварзии, Е.Ю. Орлов. Унифицированные датчики влажности, давления и температуры на основе пьезокварцевых резонаторов/ Промышленные АСУ и контроллеры, 2002,№2.

2. Ан П. Сопряжение ПК с внешними устройствами. М, ДМК Пресс, 2001, 320С.

3. Аш Дж. и др. Датчики измерительных систем. М.: Мир, 1990.

4. P.P. Бабаян Преобразователи электрических сигналов с частотным выходом // Приборы и системы управления. 1996. №11.

5. В.В. Безделкин. Кварцевые пьезорезонансные чувствительные элементы для датчиков физических величин.//Датчики и системы. 1999.№7. С.58-63.

6. JI.A. Белов, Д.Г. Бухаров и др. Широкодиапазонный микропроцессорный частотомер. // Микропроцессорные средства и системы. 1988г. №6.

7. Ю.К. Блокин-Мечталин. Измерительный преобразователь сигналов датчиков для магистрально-модульных систем.//Измерительная техника. 1997. №11.

8. С.М. Володин. Анализ широкодиапазонных методов аналого-цифрового преобразования частоты импульсов.//Тезисы докладов конференции студентов, аспирантов и молодых специалистов //М., МГИЭМ, 1999. С. 177-178.

9. С.М. Володин. Методы преобразования частотных сигналов датчиков физических величин.// Труды LV научной сессии, посвященной Дню радио. Москва, 2000.

10. С.М. Володин. Сравнительный анализ методов функционирования модулей ввода частотных сигналов в ЭВМ. //Тезисы докладов конференции студентов, аспирантов и молодых специалистов //М., МГИЭМ, 1998. С.229.

11. С.М. Володин. Анализ методов построения универсальных модулей ввода частотных сигналов в ЭВМ.//Тезисы докладов Международной

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

1. С.М. Володин. Широкодиапазонный модуль ввода частотных сигналов в ЭВМ с параллельной структурой. //Тезисы докладов конференции студентов, аспирантов и молодых специалистов //М., МГИЭМ, 2000.С.257-258

2. С.М. Володин. Исследование достижимых технических характеристик широкодиапазонного модуля ввода частотных сигналов в ЭВМ с параллельной структурой. //Тезисы докладов Международной школы-семинара «Новые информационные технологии»// Судак. 2001. С.71-72.

3. С.М. Володин. Широкодиапазонный модуль ввода частотных сигналов в ЭВМ с зависимым счетом.//Тезисы докладов Международной школы-семинара «Новые информационные технологии»// Судак. 2000. С. 177178.

4. С.М. Володин. Широкодиапазонный адаптивный модуль ввода частотных сигналов в ЭВМ.//Тезисы докладов Международной школы-семинара «Новые информационные технологии»// Судак. 2000. С. 178179.

5. С.М. Володин. Исследование точности и быстродействия широкодиапазонного модуля ввода частотных сигналов в ЭВМ с параллельной структурой. //Тезисы докладов конференции студентов, аспирантов и молодых специалистов //М., МГИЭМ, 2000

6. С.М. Володин, В.В. Макаров. Метод параллельных широкодиапазонных измерений частотных импульсных сигналов.//Датчики и системы.2002.№1. С.22-25.

7. С.М. Володин, В.В. Макаров. Анализ точности и быстродействия четырехканального широкодиапазонного модуля ввода частотных импульсных сигналов в ЭВМ.//Датчики и системы. 2002. №12.С.37-39.

8. С.М. Володин, В.В. Макаров. Многоканальные широкодиапазонные измерения частотных импульсных сигналов с использованием модифицированного метода зависимого счета. //Датчики и системы. 2004. №9.С.34-39.

9. А.В. Волошко, О.В. Коцарь. Определение периода колебаний низкочастотных сигналов. //Измерительная техника. 1999. №12.

10. Н.Н. Вострокнутов. Цифровые измерительные устройства. Теория погрешностей, испытания, проверка. //М.: «Энергоатомиздат», 1990.208с.

11. М.В. Гальперин, О.Ш. Пхакадзе. Методы подавления помех в аналоговых измерительных системах. //Практика и теория эксперимента. 1980. №4.

12. К.А. Глушенко, Н.В. Кирианаки, О.Б. Котыло и др. Измерители частотно-временных параметров сигналов на базе ОЭВМ серии К1816. // Микропроцессорные средства и системы. 1988г. №6.

13. B.C. Гутников. Интегральная электроника в измерительных устройствах JI. Энергоатомиздат. 1988. 304С.

14. B.C. Гутников, Г.И. Литуненко. Измерение частоты сигналов с применением цифровой обработки// Приборы и системы управления. 1995. №6.

15. А.А. Елизаров. Разработка радиоволновых элементов технологических приборов и устройств с использованием электродинамических замедляющих систем//М. МИЭМ, 1999.

16. А.А. Елизаров. Информационные параметры чувствительных элементах на замедляющих системах. //Измерительная техника. 1995. №9.С.57-60.

17. А.Ф. Каперко, В.В. Макаров, Е.А. Саксонов и др. Микропроцессорные измерительные системы//М. МИЭМ, 1989. 59с.

18. Е.А. Карцев, Е.В. Карцева. Датчики и приборы для измерения неэлектрических величин. Справочник Московского НТО приборостроения и метрологии. 1992г.

19. Т.И. Кривченко Измерение частоты в многофункциональных измерительно-управляющих контроллерах на базе однокристальных микро-ЭВМ// Приборы и системы управления. 1996. №2.

20. Н.В. Кирианаки, С.Ю. Юриш. Информационно измерительная система сбора и обработки сигнала частотных датчиков. // Датчики и системы. 2004. №12. С.2-5.

21. Список используемой литературы

22. Н.В. Кирианаки, А.Л. Кобылянский, Р.В. Гольцгаузер Аппаратно-программный способ измерения частоты. // Метрология. 1991г. №1.

23. Н.В. Кирианаки, В.Б. Дудыкевич. Методы и устройства измерения низких и инфранизких частот.//Львов: Вища шк., 1975. 187с.

24. В.Ф. Козаченко Микроконтроллеры: руководство по применению 16-разрядных микроконтроллеров Intel MCS 196/296 во встроенных системах управления. М.: ЭКОМ. 1997.-688с.

25. М. Коломиец, Е. М. Прошин. Автоматический выбор диапазона измерений в цифровых приборах. //Электроизмерительные приборы. Выпуск 22.1980г.

26. А.В. Косинский, В.В. Макаров Широкодиапазонный модуль ввода частотных сигналов в ЭВМ.//Измерительная техника. 1995г. №3.

27. А.В. Косинский, В.В. Макаров Исследование точности и быстродействия широкодиапазонного модуля ввода частотных сигналов. // Измерительная техника. 1996г. №2.

28. А.В. Косинский, Аналого- цифровые преобразователи. //М.: МГИЭМ, 2001.

29. А.В. Косинский, Элементы датчиков технических систем управления. //М.: МГИЭМ, 2001.

30. Г.И. Кривченко Измерение частоты в многофункциональных измерительно управляющих контроллерах на базе однокристальных микроЭВМ. //Приборы и системы управления. 1996.№10. С.44-47.

31. Крейтовая измерительная система LTC. L-CARD.

32. Е.С. Левшина, П.В. Новицкий. Электрические измерения физических величин. М.: Энергоатомиздат. 1983.

33. В.В. Макаров. Метрология и электрические измерения//М. МИЭМ, 2001.-78с.

34. В.В. Макаров. Точность автоматических измерительных систем//М. МИЭМ, 1987. -85с.

35. В.В. Макаров. Измерительные устройства и системы с амплитудной адаптацией //М. МИЭМ, 1995. 210с.

36. Список используемой литературы

37. В.В. Макаров, С.М. Володин, Адаптивный широкодиапазонный многоканальный модуль ввода частотных импульсных сигналов в ЭВМ.//Измерительная техника. 2004. №4.

38. В.В. Макаров. С.М. Володин, Методические указания к лабораторным работам по курсу «Метрология и электрические измерения». //М.: МГИЭМ, 2001.

39. В.В. Малов. Разработка и исследование частотных датчиков механических величин на основе управляемых пьезоструктур. //М.: МИФИ, 1971.

40. В.В. Малов. Пьезорезонансные датчики./М.: «Энергоатомиздат», 1989. 272с.

41. К.Г. Митюшкин. Телеуправление и телеконтроль в энергосистемах, 1990

42. Ю.Н. Пчельников, В.В. Анненков, А.А. Елизаров и др. Первичные измерительные преобразователи на замедляющих системах// Измерительная техника. 1994.№5. С. 22-24.

43. Ю.Н. Пчельников, В.В. Анненков, А.А. Елизаров и др. Применение замедляющих систем для экологического контроля промышленных стоков//Измерительная техника. 1994.№6. С. 57-60.

44. В.Б. Реутов, Г.В. Вавилин, М.Д. Карабецкий и др. Модуль ввода -вывода частотно-временных сигналов ПЭВМ ЕС 1841// Управляющие системы и машины. 1990. №4.

45. А.Р. Саха, Б.К. Мазумдер. Параллельный преобразователь частоты в код.//ТИИЭР. 1984г. №4.

46. А.Р. Саха, Б.К. Мазумдер. Преобразователь частоты в код с логикой последовательной аппроксимации. //ТИИЭР. 1984г. №9.

47. Ю.П. Страшун. Технические средства ввода вывода аналоговых сигналов систем сбора данных и управления на современной элементной базе. //Приборы и системы управления. №10. 1994г.

48. Ю.Н. Цыбин. Экономические базовые структуры цифровых умножителей частоты. // УСиМ. 1989г. №4.

49. В.Г. Чернов Распределенная система в интерфейсах ввода аналоговой информации для цифровых систем сбора и обработки данных //Управляющие системы и машины. 1984. №3.

50. А.В. Шавлов, Р.Я. Горелик. Четырехканальный преобразователь аналогового сигнала. //Датчики и системы. 2001. №4.С.49-50.

51. B.JI. Шило Популярные цифровые микросхемы. М. Радио и связь, 1988.

52. Chaudhuri N., Ghosh S., Ghosh A. A technique for simultaneous measurement with microcomputer // IEEE transactions on industrial electronics. 1985. №2.

53. V-f converter and microcontroller produce high-resolution ADC// Electronic Desing. 1980. №13. c. 103-107.

54. Kirianaki N.V., Yurish S.Y. Spak N.O. Methods of Dependent Count for Frequency Measurements // Measurements. 2001. Vol. 29. Issuel. P.31-50.

55. Kirianaki N.V., Yurish S.Y. Spak N.O. Data Acquisition and Signal Processing for Smart Sensors, Chichester/ UK, John Wiley & Sons. 2002.

56. Акт об использовании в учебном процессе результатов диссертационной работы ВОЛОДИНА СЕРГЕЯ МИХАЙЛОВИЧА на тему: «Многоканальные широкодиапазонные модули ввода частотных импульсных сигналов в ЭВМ»

57. Декан факультета АВТ Д.т.н., профессор Заведующий кафедрой УиИТС Д.т.н., профессор1. Петросянц К.О./1. Каперко А.Ф./1. НИИ СУВПТсистем управленияволновых процессов и технологий)1. АКТ

58. Об использовании диссертационной работы С.М.Володина на тему: «Многоканальные широкодиапазонные модули ввода частотныхимпульсных сигналов в ЭВМ»

59. Использованы схемотехнические решения для проектирования многоканальных широкодиапазонных модулей ввода частотных импульсных сигналов в ЭВМ.

60. EPAOROUTE; EPAlROUTE; EPA2ROUTE; EPA3ROUTE; RIOROUTE;1. TIOROUTE; 200H;1. AT20H;i; i; i; l; i; 4;4;