автореферат диссертации по приборостроению, метрологии и информационно-измерительным приборам и системам, 05.11.05, диссертация на тему:Совершенствование микропроцессорных измерительных устройств с интегрирующими аналого-цифровыми преобразователями

На правах рукописи

КРАВЧЕНКО Татьяна Игоревна

СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ МИКРОПРОЦЕССОРНЫХ ИЗМЕРИТЕЛЬНЫХ УСТРОЙСТВ' С ИНТЕГРИРУЮЩИМИ АНАЛОГО-ЦИФРОВЫМИ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯМИ

Специальность 05.11.05 - Приборы и методы измерения

электрических и магнитных величин

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание учено« степени кандидата технических наук

Санкт-Пвтербург 19Э5

Работа выполнена на кафедре Измерительных информационных технологий'' Санкт-Петербургского государственного технического университета.

Научный руководитель - доктор технических наук, профессор, действительный член Метрологической академии Гутников B.C.

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор Угрюмов Е.П.; кандидат технических наук Кубланов М.Я.

Ведущая организация - АООТ "НИИ Электромера" (г.Санкт-Петербург).

на заседании диссертационного совета Д 063.38.11 Санкт-Петербургского государственного технического университета.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Санкт-Петербургского государственного технического университета по адресу : 195251, г. Санкт-Петербург, ул. Политехническая, 29.

Автореферат разослан 1ЭУ& г.

Зашита состоится

в

часов,

Ученый секретарь диссертационного совета к.т.н., доцент

С.В.Молотков

ОБИАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. .Основные направления совершенствования измерительных устройств в течение последнего десятилетия били связаны с новейшими достижениями технологии в областях микроэлектроники, микропроцессорной техники, средств связи. Использование микропроцессорных устройств позволило простым и надежным способом решать вопросы, связанные с линеаризацией характеристик датчиков, фильтрацией измерительных сигналов, автоматической коррекцией погрешностей и , калибровкой измерительного тракта.

В русле решения этих проблем легат и работы, направленные на совершенствование методов аналого-цифрового преобразования за счет более эффективного использования вычислительных возможностей микропроцессорных средств. В этой области повышение скоростей обработки цифровых сигналов привело к рождению нового класса преобразователей, требующих минимального количества прецизионных элементов и получивших название сигиа-дельта АЦП. Их использование позволяет за счет усложнения программного обеспечения упростить аппаратную часть, повысить надежность и быстродействие измерительных устройств.

Фундаментом для развития теории сигма-дельта АЦП стали многолетние исследования интегрирующих аналого-цифровых преобразователей. В нашей стране изучением подобных АЦП занимались Шахов Э.К., Махнанов В.Д., Милохин И.Г., ГутниковВ.С. и другие ученые. Зарубежные разработчики систем цифровой видео и звукозаписи, систем обработки оптических, ультразвуковых и других сигналов переменного тока применили к указанным структурам методы спектрального анализа и цифровой обработки сигналов, что позволило добиться существенного улучшения характеристик АЦП. В данной области известны работы j.candy,

R.Gray, S.Hein И МНОГИХ ДРУГИХ.

Вместе с тем. следует отметить, что для оценки точности сигма-дельта АЦП в системах звуковой и видео-записи используются такие характеристики, как отношение сигнал/шум и эффективное количество бит, позволяющие оценить погрешность преобразования лииь в среднем. Поэтому для использования данного класса преобразователей в измерительной аппаратуре необходимо решить задачу оценки их точности с точки зрения характеристик, принятых для аттестации измерительных приборов.

Платой за увеличение быстродействия и разрешавшей способности сигма-дельта АЦП является возраставшая сложность программного обеспечения (ПО). Усложнение ПО современного измерительного прибора обусловлено также наметившейся тенденцией к повышению интеллекта измерительных устройств, увеличению числа функций по обработке, хранение и передаче измерительной информации. В предыдущее десятилетие усилия программистов измерительной техники били направлены на разработку эффективных алгоритмов линеаризации, фильтрации, статистической обработки. В настоящее время при разработке программного обеспечения измерительного устройства актуальной задачей становится создание надежной и эффективной программной системы, которая включала бы в себя в качестве библиотек наработанные ранее алгоритмы и обеспечивала бы корректное совместное выполнение всех заданных функций измерительного устройства в режиме реального времени.

В связи с этим цель работы заключается в разработке технологичных структур аналого-цифровых преобразователей, исследовании их свойств с точки зрения характеристик, принятых для аттестации измерительных приборов, а также в разработке вопросов повышения надежности и гибкости программного обеспечения измерительных устройств.

Достижение поставленной цели предполагает решение следующих

задач исследования:

1. Анализ законов распределения и максимальных погрешностей одноконтурных сигма-дельта АЦП с прямоугольным и треугольным окнами в качестве цифровых фильтров.

2. Исследование погрешностей структур сигма-дельта АЦП с каскадным включением контуров первого порядка.

3. Исследование погрешностей сигма-дельта АЦП второго порядка.

4. Анализ принципов построения программного обеспечения (ПО) микропроцессорных измерительных устройств и разработка типовой структуры ПО.

Методы исследования основываются на использовании спектрального анализа, теории весовой обработки измерительных сигналов, теории автоматического управления, ¿-преобразования, теории графов, теории погрешностей измерительных устройств и включают в себя математический анализ погрешностей, 2

моделированиэ работы АЦП на ЭВМ и экспериментальное исследование на макете.

Научная новизна рабОТЫ ЗаклОЧЭВТСЯ В СЛЭДуЩвМ:

1.Выполнен теоретический анализ законов распределения погрешностей и максимального значения погрешности для одноконтурных сигма-дельта АЦП с прямоугольным и треугольным цифровыми фильтрами. Для подтверждения результатов анализа проведено моделирование работы таких АЦП а также выполнено экспериментальное исследование макетных образцов.

2.Предложены два способа построения двухкаскадного сигма-дельта АЦП с равномерной зависимостью погрешности квантования от величины входного сигнала. Обоснован выбор цифровых фильтров для данных структур. Выполнен анализ соотношения погрешности квантования и инструментальной погрешности. Выводы теоретического анализа подтверждены результатами моделирования и экспериментального исследования.

3.Предложен способ повышения точности сигма-дельта АЦП второго порядка при помощи переноса внутренней обратной связи на вход модулятора и использования в цепи обратной связи ШИМ сигнала. Выполнен анализ устойчивости, динамических и метрологических характеристик предложенной структуры при помоши моделирования и экспериментального исследования.

Оснозныа положения, выносимые на защиту:

1. Выбор цифрового фильтра для сигма-дельта АЦП первого порядка с точки зрения минимизации максимальной погрешности квантования.

2. Способы построения двухкаскадных сигма-дельта АЦП с раномерно распределенной погрешностьи вдоль диапазона измерения. Соотношение инструментальной погрешности и погрешности квантования для этих структур.

3. Способы построения сигма-дэльта АЦП второго порядка. Метод повышения точности такой структуры при помощи переноса внутренней обратной связи на вход модулятора. Выбор цифрового фильтра и анализ погрешности предложенной структуры.

4. Комплекс мер для обеспечения надежности, гибкости и расширяемости программного обеспечения измерительных устройств.

Практическая значимость и_ реализация результатов работы:

1. Предложены два способа реализации • алгоритма зависимого счета для измерения частоты, которые позволяют расширить диапазон измеряемых частот, сократить время преобразования и сэкономить процессорное время.

2. Предложена типовая структура программного обеспечения измерительного прибора я даны проверенные на практике рекомендации по основным принципам проектирования микропроцессорной подсистемы измерительного устройства.

3. Разработан и предложен универсальный драйвер последовательного канала для микропроцессоров семейства тс5-51.

4. Результаты диссертационной работы реализованы в двух измерительных устройствах, разработанных и внедренных для медицинской системы диагностики вестибулярного аппарата человека.

5. Выполненный обзор и анализ методов построения сигма-дельта АЦП используется для чтения лекций по курсу "Цифровая измерительная техника* на кафедре измерительных информационных технологий СПбГТУ.

Апробация разультатов работы.

По теме диссертации опубликовано 6 печатных работ. Результаты работы доложены и обсуждены на Всесоюзной научно-технической конференции "Методы и средства измерения механических параметров в системах контроля и управления" (г. Пенза,1989г.), на Четвертой Балтийской международной конференции (г.Таллинн,1994г.), на международной конференции "Измерительные информационные технологии в охране здоровья человека" (г.Санкт-Петербург, 1995г.).

Структура и_ объем работы. ДИССерТЭЦИЯ СОСТОИТ ИЗ ВВвДеНИЯ,

четырех глав, заключения, списка литературы и приложений, содержит 154 страницы основного текста, 5 таблиц и 74 рисунка.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

в первой глава выполнен обзор литературы по выбранным направлениям исследования.

В первой его части рассматривается вопросы построения аналого-цифровых преобразователей, использующих сигма-дельта модуляцию. В связи с имеющимся различием в терминологии , 4

принятой в нашей стране и за рубежом, показано место сигма-дельта АЦП в классификации интегрирующих преобразователей, известной в нашей стране. Так, однобитный сигма-дельта модулятор представляет собой ПНЧ с заданным интегралом и опорным временным интервалом. С другой стороны, время-импульсный преобразователь с заданным циклом, многотакгный, с равномерной временной дискретизацией, согласно терминологии, принятой в зарубежной литературе, является сигма-дельта модулятором с многобитным квантователем. Здесь же приводятся основы теории построения сигма-дельта АЦП - линейная модель сигма-дельта модулятора, в которой нелинейный элемент (компаратор) заменяется на источник независимого шума квантования, принципы передискретизации сигнала с последующей цифровой фильтрацией и децимацией, вопросы воздействия сигма-дельта модулятора на спектр шума квантования.

Далее приводится обзор и анализ основных направлений совершенствования структур сигма-дельта АЦП , которые включают в себя весовую обработку отсчетов сигма-дельта модулятора, построение многобитных сигма-дельта АЦП, повышение порядка сигма-дельта модулятора, использование каскадного включения сигма-дельта модуляторов.

Продвигаясь в указанных направлениях, зарубежные исследователи научились сейчас строить сигма-дельта АЦП до пятого порядка включительно. Однако используемый при их построении спектральный анализ позволяет оценить погрешность аналого-цифрового преобразования лишь в среднем. В связи с этим, обзор литературы по сигма-дельта АЦП заключает вывод о необходимости исследования зарекомендовавших себя структур АЦГ1 с точки зрения характеристик, принятых для аттестации измерительных приборов, которыми являются максимальное значение погрешности' и квантильные оценки ширины распределения погрешностей.

Использование сигма-дельта АЦП приводит к резкому росту числа вычислений в системе, что усложняет разработку отказоустойчивого программного обеспечения (ПО). В связи с этим во второй части обзора литературы рассматриваются вопросы построения надежного и гибкого ПО.

В частности, показано, что измерительное устройство представляет собой систему информационных процессов, существующих параллельно и, часто, независимо. Например, весовая обработка отсчетов сигма-дельта модулятора, регенерация жидкокристаллического индикатора, обмен информацией с компьютером

5

верхнего уровня должны обслуживаться микропроцессором параллельно. Поэтому основное внимание во второй части обзора уделено вопросам программирования параллельных систем реального времени. Показано, что при проектировании ПО микропроцессорного измерительного устройства полезно придерживаться философии "абстрактной машины". Здесь же рассматриваются вопросы решения проблем взаимного исключения и синхронизации процессов, использования общих переменных, вопросы стиля параллельного программирования. Кроме того обсуждаются вопросы выбора инструментальных средств для создания ПО и делается вывод о необходимости использования инструментального пакета, содержащего, трансляторы как с языка ассемблера, так и с какого-либо языка высокого уровня и обеспечивающего сопряжение подпрограмм, написанных на разных языках.

Внедрение результатов работы в медицинскую систему для диагностики вестибулярного аппарата обусловило необходимость выполнения в первой главе краткого обзора основных особенностей измерительной аппаратуры медицинского назначения и современных стандартных средств объединения микропроцессорных измерительных устройств в систему.

вторая глава диссертации посвящена исследованию структур сигма-дельта АЦП с точки зрения применимости их в измерительной аппаратуре.

Выполненный анализ погрешностей одноконтурного сигма.-дельта АЦП с прямоугольным и треугольным окнами в качестве цифровых фильтров показал, что использование весовой обработки выходных значений модулятора позволяет увеличить отношение сигнал/шум и уменьшить среднеквадратическое значение погрешности квантования. Вместе с тем. для измерительных устройств важна оценка максимального значения погрешности. Еб анализ, проведенный теоретически и при помощи моделирования, позволил сделать вывод, что использование треугольного окна для одноконтурных сигма-дельта АЦП оказывается невыгодным, так как, несмотря на снижение погрешности в среднем, приводит к увеличение максимального значения погрешности вдвое по сравнению со случаем использования прямоугольного окна. Данный вывод иллюстрирует рис.1, на котором показано, что если среднеквадратическое значение погрешности для случая использования треугольного окна уменьшается с ростом количества тактов обратно пропорционально квадрату количества тактов, то 6

максимальная погрешность, как и в случае использования прямоугольного окна, уменьшается обратно пропорционально первой степени количества тактов. Увеличение максимального значения погрешности наряду с уменьшением сроднеквадратического при использовании треугольного окна объясняется неравномерной зависимостью погрешности от входной величины. На рис.2 показано, что погрешность квантования в этом случае резко возрастает на концах диапазона измерения и в его центре.

В работе приводится вывод математического выражения для погрешности квантования одноконтурного АЦП с треугольным окном

N/2-1 N

I I ^г'1^" •

1=0 ¡=N/2+1

где кд - масштаб интегрирования. I*. - значения напряжения на выходе интегратора в конце 1-го такта, N - количество тактов.

На основании этого выражения выдвинуто предположение о возможности скорректировать погрешность квантования путем введения второго контура, на вход которого подается выходной сигнал интегратора первого контура с инвертированием в течение первой половины интервала измерения. Дальнейший анализ показал, что инвертирование сигнала первого контура можно перенести в программную часть, упростив тем самым аппаратную.

Для подтверждения теоретических выводов относительно снижения погрешности квантования в предложенных структурах с каскадным включением контуров приводятся результаты моделирования их работы и экспериментальной проверки, которые показали, что погрешность квантования исследувмых структур распределена равномерно вдоль диапазона измерения (рис.3), что обусловило снижение как среднеквадратического, так и максимального значений погрешности обратно пропорционально квадрату количества тактов.

Вместе с тем предложенные структуры с каскадным включением модуляторов первого порядка кроме погрешности квантования обладают инструментальной погрешностью, обусловленной нестабильностью масштаба интегрирования первого контура.

В работе получены математические выражения, описывающие максимальное значение приведенной погрешности квантования и приведенной инструментальной погрешности.

1.0

0.1

ско,— треугольное количество окно тактов ^

100

1000

Рис.1 Соотношение среднеквадратической и максимальной погрешностей для сигма-дельта АЦП первого порядка с прямоугольным и треугольным окнами

2.00 -п ¿М . Я

Рис.2 Зависимость максимальной приведенной погрешности от значения входного сигнала для одноконтурного сигма - дельта АЦП с треугольным окном

0.20 -

0.00

¿Н . %

N=100

Ух

м I I I I I I м I I I I I I I м I м м I м I I I I I I I I I I I I I -Уо 0 +11о

Рис.3 Зависимость максимальной приведенной погрешности от значения входного сигнала для сигма - дельта АЦП с каскадным включениемдвух контуров первого порядка

( к, I- п

2

7,1'КВ к,. N2 " 7"'кл~' Укл'м '

где - относительная нестабильность масштаба интегрирования первого контура,

Они показывают, что при малом количестве тактов погрешность квантования превышает инструментальную погрешность. При дальнейшем увеличении числа тактов погрешность квантования быстро уменьшается и, когда разрешение АЦП достигает приблизительно 18 двоичных разрядов, определяющую роль начинает играть нестабильность масштаба интегрирования. Справедливость выполненного анализа подтверждается полученной при помоши моделирования зависимостью суммарной максимальной погрешности от количества тактов.

Во второй главе также уделяется внимание исследованию сигма-дельта АЦП второго порядка. При его построении исходно была выбрана структура, приводимая в обзоре литературы, которая обеспечивает более эффективное разделение спектра шума квантования и спектра сигнала, что после проведения цифровой фильтрации ведет к увеличению разрешения преобразователя. Однако данная структура обладает тем недостатком, что одно из еЗ звеньев не охвачено петлей внутренней обратной связи и, следовательно, нестабильность его элементов будет приводить к погрешности АЦП. В работе предлагается способ устранения этого недостатка, который заключается в переносе внутренней обратной связи на вход модулятора (рис.4). При этом показано, что для сохранения устойчивости структуры второго порядка можно выполнять регулирование ей работы при помоши сигнала обратной связи, зависящего как от текущего выходного значения модулятора, так и от его значения в предыдущем такте. Тогда петля обратной связи должна содержать простейший ПАП на четыре уровня. Однако, поскольку в сигма-дельта модуляторе происходит уравновешивание интегралов от входного и компенсирующего напряжений, то в качестве компенсирующего напряжения предложено использование широтно-модулированного сигнала. При этом необходимо отметить, что в системе второго порядка выполняется уравновешивание не только первых, но и вторых интегралов входного и компенсирующего воздействий. Поэтому форма сигнала обратной связи была выбрана с таким расчетом, чтобы обеспечивалось равенство и первых, и вторых интегралов ШИМ-сигнала и компенсирующего постоянного сигнала.

Рис.4 Сигма - дельта АЦП второго порядка с ШИМ сигналом в обратной связи

Для исследования динамических свойств предложенной структуры второго порядка было выполнено моделирование ей работы на компьютере. В работе приводятся найденные границы области устойчивой работы преобразователя и области возможных значений коэффициентов передачи звеньев, при которых наблюдается наиболее короткий переходный процесс.

Приводится также описание макета, на котором было выполнено экспериментальное исследование сигма-дельта АЦП второго порядка с программной реализацией ШИМ - сигнала в обратной связи и треугольным окном в качестве цифрового фильтра.

Результата эксперимента показали, что максимальное значение погрешности квантования в такой структуре так же, как и в случае каскадного включения модуляторов, убывает обратно пропорционально квадрату количества тактов. Зависимость этой погрешности от значения входной величины практически равномерная. Наблюдается лишь незначительное (в два раза) ей увеличение на концах диапазона измерения. Кроме того, в отличие от АЦП с каскадным включением модуляторов предложенная структура второго порядка не трабует использования прецизионных конденсаторов.

В заключении второй главы делается вывод о то«, что при использовании более сложных структур сигма-дельта АЦП, чем АЦП первого порядка, удается повысить разрешение и снизить 10

количество тактов преобразования. Однако при этом увеличивается количество вычислений в каждом такте, что накладывает повышенные требования на быстродействие процессора и эффективность программного обеспечения.

Гратья глава диссертации ПОСВЯШеНЭ Вопросам П0ВЫШ6НИЯ

надежности и гибкости программного обеспечения микропроцессорных измерительных устроств. При этом в качестве основополагающего принципа был принят вывод, сделанный в завершении обзора литературы о том, что измерительное устройство необходимо рассматривать как систему паралельных информационных процессов реального времени. При проектировании микропроцессорной подсистемы измерительного устройства предлаается использовать системный подход, который заключается в способе проектирования сверху вниз, от общей структуры к детальной проработке.

6 работе предлагается типовая структура программного обеспечения измерительного прибора, которая разделена на абстрактную машину нижнего уровня, маскирующую все аппаратные особенности микропроцессорной подсистемы, и программное обеспеченно верхнего уровня, задастее алгоритм функционирования средства измерения в целом. Как на нижнем, так и на верхнем уровне программное обеспечение состоит из набора модулей, обслуживающих параллельные информационные процессы. На верхнем уровне разделение выполняется с точки зрения принадлежности к решению различных измерительных или управляющих задач, в то время как на нижнем уровне отдельные процессы различаются принадлежностью к тем или иным аппаратным узлам. Параллельное выполнение подпрограмм нижнего уровня обеспечивается естественным образом при помощи системы прерываний. Программные модули верхнего уровня составляют головную программу. Особенной среди них является программа-планировщик или монитор. Эта программа анализирует текущий режим работы прибора и считывает команды из буферов клавиатуры и последовательного канала. На основании полученной информации программа-планировщик принимает решение о том, какие процессы верхнего уровня в настоящий момент требуют процессорного обслуживания и устанавливает в активное состояние их семафоры. В работе рассматриваются два способа организации работы подпрограмм, активизированных планировщиком -последовательное выполнение и параллельное выполнение при помощи программы диспетчера процессов.

При этом показано. что последовательная организация

обслуживания процессов верхнего уровня является изначально более простой, но имеет тот недостаток, что навязывает независимым процессам синхронность в работе и приводит к неустойчивому равновесию всей системы в целом. Организация параллельного выполнения программ верхнего уровня лишена этого недостатка, но требует больших затрат памяти на сохранение данных отложенных процессов и может быть реализована лишь для процессоров с достаточным размером стека.

Здесь же даются рекомендации по организации корректной совместной работы драйверов, расстановке приоритетов для программ обработки прерывания, и распределения процессорного времени между задачами. Предлагаемый в работе алгоритм разработки программного обеспечения сверху вниз, от общей структуры к детальной проработке, позволяет разделить задачу разработки ПО между несколькими программистами-системотехниками и сократить тем самым общее время проекта.

Также в третьей главе в качестве примера синхронизации процессов, имеющих разную скорость, приводится разработка драйвера последовательного канала для микропроцессоров семейства

гпс5-51 .

При обсуждении вопроса о разграничении задач между аппаратной и программной частями измерительного устройства отмечается, что при использовании современных микропроцессоров, которые содержат на одном кристалле набор встроенных аппаратных средств (счетчики, таймеры, коммутаторы, АЦП), меняется логика распределения задач между аппаратной и программной частями. Раньше усилия разработчиков были направлены на то, чтобы перенести решение как можно большего количества задач в программную область, так как при этом сокращалось количество микросхем цифровой части средства измерения. Теперь часто бывает более выгодно экономить процессорное время, возложив решение той или иной задачи на встроенные аппаратные узлы..

Примером подобной экономии процессорного времени являются два предлагаемых способа реализации известного метода измерения частоты с синхронизацией интервала измерения со входными импульсами. Предлагаемые способы используют имеющиеся на многих типах современных микропроцессоров модули сравнения/захвата и, кроме экономии процессорного времени, позволяют сократить время преобразования при заданной разрешающей способности и расширить диапазон измеряемых частот. 12

з_ четвертой главе диссертации описывается разработка и практическая реализация двух микропроцессорных измерительных устройств для медицинской системы диагностики вестибулярного аппарата человека. При проектировании данных устройств использовались теоретические выводы и рекомендации предшествующих глав.

Первое устройство, электронистагмограф, выполняет измерение биопотенциалов, вызванных движением глазных яблок, преобразование информации в цифровую форму и передачу её в компьютер. Второе устройство, отокалориметр, предназначено для автоматического задания калорической пробы, которая является тестовой нагрузкой для вестибулярного аппарата.- Калорическая проба представляет собой орошение слухового прохода пациента водой с заданными значениями температуры и расхода.

В канале измерения температуры отокалориметра используется сигма-дельта АЦП первого порядка.

Программное обеспечение отокалориметра и

электронистагмографа является примером использования предложенной в третьей главе типовой структуры ПО с двухуровневой организацией. Поэтапная разработка

микропроцессорной подсистемы отокалориметра иллюстрирует основные принципы системного подхода, которые обсуждались в диссертации.

На основе заданного алгоритма работы отокалориметра и анализа его структурной схемы в работе определен набор основных параллельных информационных процессов отокалориметра. В соответствии с этим выделены семь основных программных модулей верхнего уровня ПО отокалориметра. Планировщик, выполняющий опрос клавиатуры, активизацию процессов и мониторинг индикатора; модуль измерения температуры и контроля аварийных ситуаций; модуль, управлявший процессом термостабилизации; модуль, упраляюший расходом воды; модуль ввода параметров ирригации; модуль, управляющий процессом ирригации, и модуль, управляющий процессом слива воды и промывки гидравлических систем отокалориметра.

Для поддержки выделенных процессов верхнего уровня разработана структура абстрактной машины нижнего уровня, которая включает в себя аппаратную часть и драйверы основных аппаратных

узлов. Показано, что абстрактная машина нижнего уровня должна обеспечивать выполнение тринадцати параллельных процессов. В качестве основы для построения микропроцессорного контроллера отокалориметра была выбрана однокристальная микро-ЭВМ socsifa фирмы Intel, выполнено распределение встроенных ресурсов микропроцессора между выделенными задачами нижнего уровня, принято решение о необходимом наборе внешних аппаратных узлов.

Ввиду недостаточного размера стека выбранного типа микропроцессора было принято решение об организации последовательного обслуживания процессов верхнего уровня. В качестве .средства программирования выбран пакет csi/asmsi. Драйверы аппаратных узлов написаны на языке ассемблера. В работе приводится доказательство корректности их совместной работы. Головная программа написана на языке csi и опирается на возможности, предоставляемые абстрактной машиной нижнего уровня. Тексты программ, отлаженные на действующем макете, приводятся в приложении.

В четвертой главе также приводится описание разработки микропроцессорной подсистемы электронистагмографа, которая представляет собой универсальный модуль ввода/вывода аналоговых и цифровых сигналов. Специфика работы модуля по обслуживанию конкретных узлов электронистагмографа заложена в программном обеспечении, которое является ещй одним примером использования типовой структуры ПО для измерительных устройств, предложенной в третьей главе.

В заключении четвертой главы сделан вывод о той, что использование предложенных в диссертации типовой структуры программного обеспечения и системного подхода при

проектировании микропроцессорных подсистем отокалориметра и электронистагмографа обеспечило гибкость и компактность диагностической системы и позволило выполнить разработку в сжатые сроки.

в_ приложениях приведены программы моделирования сигма-дельта АЦП, программы экспериментальных исследований сигма-дельта АЦП, драйвер последовательного канала для микропроцессоров семейства mcs-si, программное обеспечение отокалориметра, программное обеспечение электронистагмографа а также материалы о внедрении рэзультатов диссертационной работы.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

1.Выполнен анализ точностных характеристик одноконтурного сигма-дельта АЦП с прямоугольным и треугольным окнами, который позволил дать рекомендации по выбору цифрового фильтра для таких АЦП с точки зрения уменьшения максимальной погреиности квантования.

2. Выполнены анализ погрешностей, моделирование и экспериментальное исследование сигма-дельта АЦП с каскадным включением модуляторов первого порядка. При этом предложены две структуры - с аппаратный и программным инвертированием выходного сигнала первого контура. Обоснован выбор цифровых фильтров, позволявших получить равномерную зависимость погрешности квантования от входного сигнала. Убывание как среднеквадратического, так и максимального значения погрешности этих АЦП происходит обратно пропорционально кадрату количества тактов. Таким образом, использование предложенных структур в измерительной аппаратуре позволяет повысить быстродействие при заданной разрешающей способности. В то же время влияние масштаба интегрирования первого каскада на коэффициент преобразования АЦП вносит инструментальную погрешность. Исследование этой погрешности показало, что при типичных значениях нестабильности используемых конденсаторов она начинает сказываться, если разрешение АЦП составляет 16 бит и более.

3. Предложен способ повышения точности сигма-дельта АЦП второго порядка при помощи переноса внутренней обратной связи на вход модулятора. Выполненное моделирование данной структуры а также экспериментальное исследование позволили оценить области ей устойчивой работы, динамические и метрологические характеристики. Показано, что погрешность так же, как и в случае каскадного включения контуров, убывает обратно пропорционально квадрату количества тактов. Но при этом схема содержит меньшее количество электронных компонент и не требует использования прецизионных конденсаторов.

4. Предложена типовая структура программного обеспечения измерительного прибора и даны проверенные на практике рекомендации по основным принципам проектирования микропроцессорной подсистемы измерительного устройства, позволяющие повысить его надежность и гибкость.

5.Предложены два способа реализации известного метода

измерения частоты с синхронизацией интервала измерения импульсами входной частоты. Предложенные, способы позволяют расширить диапазон измеряемых частот, сократить время преобразования и сэкономить процессорное время, что является особенно важным при проектировании многофункциональных микропроцессорных подсистем.

6.Выполненный обзор и анализ методов построения сигма-дельта АЦП используется как материал для чтения лекций по курсу "Цифровая измерительная техника" на кафедре измерительных информационных технологий СПбГГУ.

7.Результаты диссертационной работы внедрены в МГП "Эквилибрис". при разработке микропроцессорных измерительных устройств для медицинской системы диагностики вестибулярного аппарата человека.

ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

г1.Гутников B.C., Клементьев A.B..Лопатин В.В., Соловьев А.Л., Кривченко Т.И. Микропроцессорный измеритель давления и температуры // ПСУ, n 8, 1895.- С.28-29.

2.Дьяченко Ю.Н., Кривченко Т.И. Отокалориметр с микропроцессорным управлением // Измерительно-информационные технологии в охране здоровья: Тез.докл.ыежд.научно-практ.конф.-Санкт-Петербург, 1995.- С. 92-94.

3.Gutnickov V.S., Krivchenko T.I. The Analysis of Integrating Sigma-Delta ADC Noise // Proceedings of The 4th Biennial Conference.- Tallinn, 1994.- C.201-206.

4.Кривченко Т.Н., Клементьев A.B., Гутников В.С и др. Построение современных измерительных систем на базе стандартных интерфейсов. Деп. в ВИНИТИ, УДК389.1:681.3, 11.05.94; н 1120-В94.

5.Клементьев A.B., Гутников В.С, Кривченко Т.И. и др. Микропроцессоры и микро-ЭВМ в цифровых измерительных приборах и системах // ПСУ, n 9, 1989.- С.17-19.

в.Кривченко Т.И., Евдокимов В.Е., Клементьев A.B., МихненковВ.А. Автоматизированная система испытания образцов на растякение/уМотоды и средства измерения механических параметров в системах контроля и управления.: Тез.докл.Всесоюзн.науч.-техн.конф.-25-27 января 1989г.,Пенза: ПДНТП.1989.