Федеральное агентство по образованию 

гоу впо «университет - УНПК» 
 
 

Кафедра «Приборостроение,

метрология  и сертификация»

Допустить к защите

«____» ____________ 2011 г.

Руководитель ____________ 
 
 
 
 

ПОЯСНИТЕЛЬНАЯ ЗАПИСКА

К курсовой работе по дисциплине

«Информационно-измерительные  системы» 
 
 
 
 

Работу  выполнил студент: Тулин С.Н.

Специальность: 200100.68

Курсовая  работа защищена с оценкой ________________                 

Руководитель          _________________         ____________________________                  

                                            (подпись)                                         (Ф.И.О.)                                                                    

Члены комиссии   _________________         ____________________________                  

                                            (подпись)                                         (Ф.И.О.)                                                                      
 
 
 

Орел 2011 г.

Оглавление

1 Разработка технического  задания 3

1.1 Определение времени измерения и укрупненный расчет погрешностей системы 3

1.2 Составление технического задания 6

2 Разработка технического  предложения 8

2.1 Выбор и обоснование информационной модели системы 8

2.2 Выбор и обоснование алгоритма сбора измерительной информации и метода ее обработки 12

2.3 Компоновка разрабатываемой системы стандартными функциональными блоками 15

2.4 Разработка временных диаграмм, отражающих работу системы 19

2.5 Разработка развернутой структурной схемы 21

2.6 Определение быстродействия и результирующей погрешности 22

Список использованных источников 27 

1 Разработка технического  задания

1.1 Определение времени  измерения и укрупненный  расчет погрешностей  системы

     Система должна обеспечивать возможность записи результатов измерений в память микроконтроллера, а также выводить результат измерений на цифровой индикатор. На вход системы подается аналоговый сигнал – постоянное напряжение с диапазоном от 20 до 90 мВ (4 точки) и от 110 до 160 мВ (5 точек). Число измерительных каналов системы – 9. Спектр входных сигналов равномерен до частот 3 Гц(5 точек) и 0,3(остальные). Быстродействие системы определяется временем, необходимым для осуществления одного измерения всех величин и зависит от инерционности преобразователей измерительного канала. Предельная погрешность измерения не должна превышать 2%.

     Так как результат измерения в  проектируемой измерительной системе  должен регистрироваться в памяти и выводиться на цифровой дисплей, то возможный тип измерительного канала – с дискретными сигналами.

     Использование дискретного преобразования аналогового сигнала обуславливает появление методических погрешностей, которые вызваны дискретизацией данного сигнала во времени. Погрешность дискретизации определяется временем дискретизации аналогового сигнала. Это время зависит от инерционности тех звеньев, которые наиболее сильно влияют на время установления сигнала.

     Критерием при оценке быстродействия может  служить время необходимое для  реализации одного измерения Т_ИД.  При измерении n (в нашем случае n1=n2=9) однородных величин указанное время должно лежать в интервале [1]:

                                   (1.1)

     Для предварительной оценки шага дискретизации  воспользуемся зависимостью:

,      (1.2)

    где  fm – частота входного сигнала, Гц;

             n – число измерительных каналов;

     Т0 – шаг дискретизации

    Подставим значения для точек до частот 3 Гц: 
 

    Подставим значения для точек до частот 0,3 Гц: 
 

     Из  расчета следует, что время измерения  не должно превышать при частоте  f_m=3 Гц , а при f_m=0.3 .

     Предварительный укрупненный расчет погрешностей системы  проводится в соответствии с формулой:

,      (1.3)

где  δ – методическая погрешность,

       δ_ИНСТР – инструментальная погрешность,

       δ – заданная погрешность.

     Источником  методической составляющей погрешности  может быть квантование по времени (дискретизации). Она будет определятся  требуемым видом восстановления и воспроизводящих функций. Для  этого используют интерполяционный полином Лагранжа. При выборе порядка  воспроизводящего полинома N во многих случаях используется ступенчатая интерполяция N=0. В этом случае для определения погрешности следует использовать формулу [1]:

     ,    (1.4)

где   

     Допустим, что значение относительной погрешности дискретизации δ_Д=1%.

     Подставим численные значения в формулу (1.4) для случая до частот 3 Гц получим:

       мкс.

     Подставим численные значения в формулу (1.4) для случая до частот 0,3 Гц получим:

  мкс

     Определим величину инструментальной погрешности:

              (1.5)

%

1.2 Составление технического  задания

1. Основание для создания ИИС: заказ на проектирование ИИС;
2. Сроки выполнения работы:

      начало: 04.03.2010г.

      окончание: 20.05.2010г.

3. Наименование участников создания ИИС:

      Представитель заказчика: Есипов В. Н.

      Исполнитель: Тулин С.Н.

4. Наименование организации-заказчика системы: кафедра «ПМиС»
5. Система предназначена для измерения постоянного напряжения в девяти точках с последующим сохранением полученной информации в памяти и отображении результата на цифровом табло.
6. Характеристика объекта исследования:

На  входе системы действуют электрические сигналы постоянного напряжения в диапазоне (20 ÷ 90) мВ (4 точки) и (110 ÷ 160) мВ (5 точек). Спектр входных сигналов равномерен до частот 3 Гц (5 точек) и 0.3 Гц (остальные).

7. Условия эксплуатации: сборочный цех приборостроительного предприятия.

      Температура окружающей среды 20±5⁰С

      Атмосферное давление 760±15мм.рт.ст.

      Относительная влажность 60±5%.

8. Требования к ИИС:

      Число измерительных каналов 9.

           Диапазон входных  сигналов 20 ÷ 160 мВ.

 Быстродействие системы не менее 530 мкс;

           Погрешность измерения  не более 2 %

      Погрешность дискретизации не более 0.5 %

      Инструментальная  погрешность не более 1,5 %

9. Функции ИИС:

Преобразование входного сигнала постоянного напряжения в сигнал диапазона измерения АЦП;

Измерение значений входных сигналов напряжения в заданном диапазоне;

Аналого-цифровое преобразование

Запись  результатов в память.

2 Разработка технического  предложения

     2.1 Выбор и обоснование  информационной модели  системы

     Информационные  процессы, протекающие в ИИС, определяют количество и тип технических средств, используемых в системе.

     Информационную модель современной ИИС можно свести к модели измерительного канала, т.к. в ИИС третьего поколения обработка информации осуществляется универсальными ЭВМ или микропроцессорами, являющимися структурными компонентами ИИС и выполняющими часть измерительных процедур программным путем.

     Во  всех измерительных каналах ИИС  содержится некоторое количество видов  преобразования информации. Объединив  все виды преобразования информации в одном канале и выделив последний  из состава ИИС, можно получить две  модели: информационная модель ИК для  прямых измерений и информационная модель ИК для измерения с обратным преобразованием информации.

     Сначала определим состав измерительных  преобразований информационного сигнала  в ИК. Информационная модель ИК для  измерения с обратным преобразованием  информации используется в системах, в которых производится контроль входной величины и с последующий  коррекцией. Информационная модель ИК для прямых измерений используется в системах, в которых происходит лишь измерение, сравнение или детектирование входной величины без внесения изменений  во входной сигнал для его коррекции.

     Так как в задании указана измерительная  система, выбираем информационную модель ИК для прямых измерений.

     Для отображения цифровой информации необходим  двоичный код, который в свою очередь  поступает с аналого-цифрового  преобразователя (АЦП). АЦП осуществляет преобразование входного напряжения в цифровой код. Для преобразования сопротивления в напряжение используется преобразователь с четырехпроводной соединительной линией.

     На  рисунке 2.1 изображена структурная  схема одного измерительного канала.

     1 – выход объекта исследования;

     2 – умножитель напряжения;

     3 – устройство дискретизации;

     4 – АЦП;

Рисунок 2.1 – Структурная схема ИК для  прямых измерений.

       Так как сигналы по 9-м каналам однородны (условие проектирования), то блоки для всех каналов будут одинаковы.

       Блок 1 на своем выходе выдает напряжение в диапазоне от 20 до 90 мВ, блок 2 служит для согласования блоков 1 и 4, т.е. осуществляет умножение напряжения. Блок 4 (АЦП) осуществляет процедуру перевода аналоговой величины в двоичный код.

       Т.к. в информационной модели ИИС присутствует АЦП, то необходимо определить число  разрядов кода m следующим образом. Для этого зададим допустимое значение приведенной среднеквадратической погрешности квантования , тогда согласно:

               ,     (2.1)

где  g_ф – коэффициент фильтрации помехи (для полинома Лагранжа степени N=0, g_ф=1).

       Согласно [1] при равенстве среднеквадратических погрешностей дискретизации и квантования  объем сообщений получается близким  к оптимальному, поэтому можно  принять [1]:

                    (2.2)

Подставив значения в формулу (2.2), получим:

 = 1.69·10^-3 

     При распределении погрешности необходимо решать задачу синтеза погрешностей измерительных преобразований. Она  может быть решена методом последовательных приближений на основе баланса точности с использованием формулы:

   (2.3)

где,  а_i – остаточный член;

        А_j – коэффициент влияния;

        К_j – коэффициент рассеяния (для нормального закона распределения К=1);

        d_j – погрешность отдельных преобразований измерительной информации;

        q – число преобразований.

     Поскольку на данном этапе проектирования коэффициенты влияния не известны, то можно положить их равными 1.

     Определим погрешность блоков для структурной  схемы изображенной на рисунке 2.1. Блок 1 как таковой является входным сигналом поэтому погрешность для него не рассчитывается, так же как и для блока 4 (δ₁=0). Для унифицирующего преобразователя (блок 2) определим погрешность:

     Из  стандартного ряда выберем такие  значения d_i, при которых а_i>0. Выберем d₂=0.3 %, тогда а₂=0.28.

     Так как погрешность блока 1 отсутствует, то коэффициент влияния и коэффициент  рассеяния у него отсутствуют.

     Примем d₃=0,3, тогда а₃=0,37.

     Примем d₄=0.4, тогда а₄=0.5.

     Проверим  соотношение:

       Выбор реальных временных характеристик  проведем с учетом реальных устройств, приведенных в [2], [3]:

     Согласно [4] для АЦП [4]

     Для запоминающего устройства (регистр):

     Для преобразователя кода примем

     Для управляемого ключа 

     Для кодо-импульсного преобразователя 

     Для счетчика .

2.2 Выбор и обоснование  алгоритма сбора  измерительной информации  и метода ее  обработки

     Алгоритм  сбора измерительной информации во многом определяет структуру ИИС  и, следовательно, ее технические характеристики (в первую очередь быстродействие и стоимость).

     Выбор алгоритма сбора измерительной  информации необходимо проверить на основе сравнительного анализа подсистем  получения и формирования сообщений: параллельного принципа действия (многоканальная); параллельного принципа действия с  общим набором мер (мультиплицированная); параллельно-последовательного (многоточечная); последовательного (сканирующая). Критериями выбора алгоритма сбора измерительной  информации являются в первую очередь  быстродействие и стоимость системы.

     Критериями  в первую очередь должны являться быстродействие и стоимость, складывающаяся из n стоимостей отдельных функциональных блоков, которые можно обозначить, например, S₁, S₂, ...,S_n. При этом необходимо учитывать примерное соотношение между ценами отдельных функциональных блоков. Для сравнительной оценки структур воспользуемся таблицей 5.3.1[1].

     Система параллельного действия представлена на рисунке 2.2.

УП –  унифицирующий преобразователь

Рисунок 2.2 – Структура параллельной ИИС

     Для такой  системы получим:

             (2.4)

      (с)

                 (2.5)

     Для мультиплицированной системы изображенной на рисунке 2.3:

Т₀= τ_рег + τ_ус +τ_кл + (τ_сч + τ_ЦАП + τ_ки)·2^m    (2.6)

 Т₀= 0,3+0,045 +(0,024 + 15/2¹⁰ + 0,13) ·2¹⁰  = 161,7 (мкс)

                         (2.7)

Рисунок 2.3 – Структура мультиплицированной  ИИС

     Для системы параллельно-последовательного  действия изображенной на рисунке 2.4:

                             (2.8) 

                                     (2.9) 

УП –  унифицирующий преобразователь

Рисунок 2.4 – Структура параллельно-последовательной ИИС

      Анализ  результатов расчета быстродействия показал, что любая структура ИИС удовлетворяет условию по быстродействию. Исходя из этого решающим фактором выбора структуры является стоимость системы. Из формул (2.5), (2.9) видно, что самая дешевая система – система выполненная по параллельно-последовательной структуре. Следовательно для проектирования ИИС выбираем ее.

       2.3 Компоновка разрабатываемой  системы стандартными  функциональными  блоками

       Выбор АЦП осуществляется по числу разрядов и времени преобразования.

       Выберем микросхему – микроконтроллер со встроенным 10 разрядным высокоточным АЦП последовательного приближения – PIC17C756A (рисунок 2.5). Время преобразования данного АЦП не превышает 2 мкс, что соответствует определенному ранее значению, цифровые сигналы соответствуют уровням ТТЛ, диапазон входных напряжений составляет 0÷5В.

       Назначение  выводов: 37 – напряжение питания; 31, 32, 33, 28, 27, 26, 25, 24, 23 – аналоговые входы; 29 – источник опорного напряжения; 30 - аналоговая земля; 59-67 – цифровые выводы; 36 – цифровая земля. Параметры АЦП приведены в таблице 2.1 [12].

     Таблица 2.1 – Электрические параметры:

Рисунок 2.5 – Конфигурация выводов микросхемы PIC17C756A 

       АЦП в составе микроконтроллера предназначен для преобразования входного напряжения в выходной прямой двоичный код. В составе АЦП имеются ИОН и ГТИ. Возможна работа от внешних ИОН. Внутренний ГТИ работает в режиме управления сигналом от внутреннего таймера.

       Диапазон  входных сигналов, поступающих на АЦП, составляет от 0 до 5 В, которые получаются с умножителей напряжения, построенных на основе ОУ К140УД17А (рисунок 2.6) [7].

       Данная  микросхема имеет следующие характеристики: К_У=30000; U_П=5 В;    U_СМ=0,025 мВ;    f_гр=0,4 МГц;    V_Uвых=1 В/мкс;    DI_Вх=2 нА; R_Вх=30 МОм.

       Умножители предназначены для согласования диапазонов входного напряжения и АЦП.

     Рисунок 2.6 – Схема включения ОУ К140УД17

       Выходное  напряжение будет определятся соотношением:

                             (2.10)

       Для данной схемы включения примем:

U_вх= 90 мВ, резисторы выберем из ряда Е192 R1=R2=1КОм±1%, R3=R4=56KOм±1%.

U_вх= 160 мВ, резисторы выберем из ряда Е192 R1=R2=1КОм±1%, R3=R4=33KOм±1%. 
 
 
 
 
 
 

     Рисунок 2.7 – График зависимости U_вых(U_вх) 

       Время преобразования определим по следующей  формуле:

                                           (2.11)

где  – петлевое усиление.

           (2.12)

где К – коэффициент усиления;

       Подставим в формулу (2.12) (2.13), получим:

         с.

       Для вывода полученных данных используется жидкокристаллический дисплей на 80 символов со встроенным знакосинтезирующим контроллером – DV-40200 (рисунок 2.7).

       Рисунок 2.7- Блок схема ЖКИ 

       Назначение  выводов: DB0-DB7 – цифровые входы шины данных; Vdd – напряжение питания; Vss - земля; E – вход разрешения индикации.

       Передача  данных в ЖКИ осуществляется отдельными байтами для каждой ячейки жидкокристаллического  табло. Представление информации на индикаторе осуществляется в следующем формате – "пробел"-"номер канала измерения"-"пробел"-"результат". Например, " 2 041" соответствует значению 41 измеряемой величины во канале 2. 

       2.4 Разработка временных  диаграмм, отражающих  работу системы

     Разработка  временных диаграмм необходима для  того, чтобы организовать стабильную работу ИИС, за счет учета всех задержек по преобразованию измерительной информации каждым из блоков.

     Поскольку информация в системе подлежит последовательному  преобразованию, при прохождении  через очередной блок преобразования она будет задерживаться на некоторую  величину, зависящую от вида блока. В разрабатываемой системе кроме  информативных будут присутствовать и управляющие сигналы, служащие для синхронизации работы всех блоков системы друг относительно друга. Основной задачей данного этапа является выявление возможных асинхронных  действий в системе, которые могут  привести к искажению результата преобразования.