Микропроцессорные цифровые измерительные приборы.

Приборы, выполненные на БИС и СБИС имеют встроенный микропроцессор. При проектировании таких приборов исходным отправным пунктом является перечень выполняемых ими функций. Так например:

а) В многопроцессорном мультиметре:

запоминаются данные для сравнения с максимальным значением результата измерения;

рассчитываются средние и среднеквадратические отклонения;

определяется максимальное значение параметра;

производится расчет значений сопротивления и мощности;

отклонения напряжений, масштабирование (умножение на константу);

осуществляются операции калибровки и др.

б) В частотометре:

производится пересчет интервала времени в частоту или фоновый сдвиг;

расчет времени нарастания или спад импульсов;

расчет средней частоты и отклонений от нее;

умножение на константу, калибровка;

пересчет отклонений частот в проценты;

вычисления разности частот.

в) В осциллографе:

цифровое представление частоты и амплитуды;

расчет длительности периода и частоты;

измерение временных интервалов;

времени нарастания и спада;

расчет мгновенной мощности и энергии сигнала;

калибровка, расчет относительных значений амплитуды и др.

г) В спектральном анализаторе:

запоминание данных преобразования сигналов;

осуществляется спектральный анализ;

производится пересчет из временной области в частотную;

расчет статистических характеристик;

пересчет в децибеллы и др.

Конкретные функции приборов могут быть выполнены набором программных модулей. Примером многоуровневого программного обеспечения является структура программирования анализатора параметров полупроводниковых приборов НР4145A фирмы Hewlett-Packard. Программное обеспечение основано на управляющей программе-мониторе реального времени и программах-драйверах, управляющих аппаратной частью прибора, графическим дисплеем, лицевой панелью, встроенным магнитным диском.

Высший нулевой приоритет имеют задачи информационно-измерительной системы и задачи анализа состояния лицевой панели. На первом следующем уровне находятся задачи печати и графопостроителя, задачи анализа накопленной информации и т.д. На втором уровне выполняются задачи символьно-графического дисплея и "меню".

Словом, структура программного обеспечения должна выполнять следующие вычислительные функции, связанные с обработкой и анализом данных:

автоматическую установку пределов измерений;

автоматическое управлене процессом уравновешивания в приборах сравнения постоянного и переменного тока;

первичную обработку данных, а именно: определение отклонений от номинальных значений, определение моментов приближения к границам, вычисление отношения максимума и минимума, умножение и деление на константы;

статистическую обработку данных: определение средних значений контролируемых величин за определенные интервалы времени, дисперсии, и.т.д.;

обработку данных по упрощенным алгоритмам: определение контролируемых параметров по измеренным значениям и известным зависимостям, например, определение температуры с учетом нелинейности характеристик термоэлементов и температуры окружающей среды;

обработку данных по алгоритмам, реализующим метод измерения, например, определение скоростей движения и значения расхода на основе корреляционных методов или нахождение параметров объекта на основе спектрального анализа сигналов и др.

К контроллерным относятся функции непосредственного управления аппаратного обеспечения, в частности функции программ-драйверов. По характеру управления узлами и измерительными схемами контроллерные функции подразделяются на следующие виды:

функции управления измерительной цепью. К ним относятся управление переключателями каналов (коммутаторами) и переключателями диапазонов, подключение образцовых в процессе калибровки, управление измерительными усилителями. В приборах для измерения неэлектрических величин к таким функциям можно отнести подготовку измерительной цепи, например, в химических анализаторах: управление механическими манипуляторами, дозаторами, гидравлическими схемами, температурным режимом. В большинстве случаев эти функции выполняются программными методами с помощью микропроцессора и портов ввода-вывода;

функции управления аналого-цифровым преобразованием, зависящие от типа применяемого АЦП;

функции управления cредствами взаимодействия с оператором. К ним относятся функции управления клавиатурой, индикаторами, звуковой сигнализацией и дисплеем;

функции управления печатающими устройствами, самописцами, графопостроителями и т.д.

Контроллерные функции связаны с техническим и программным обеспечением сопряжения измерительного прибора с номенклатурой внешних устройств. Если рассматривать микроконтроллер как совокупность центрального процессора, ОЗУ, ПЗУ и портов ввода-вывода, то любое управление производится по схеме микроконтроллер - аппаратно-программный интерфейс (программа-драйвер) - контролируемое устройство. Аппаратно-программный интерфейс реализует алгоритм управления и представляет самостоятельную область рассмотрения аппаратных и программных средств ИМС.

Другой вид функций ИМС - тестовые функции. Характерной особенностью современных измерительных приборов и систем со встроенным микропроцессором является самотестирование. Оно необходимо на стадии производства для отладки на этапе выпуска, на стадии ремонта для локализации неисправности и главное - самотестирование необходимо на стадии эксплуатации для проверки прибора без внешних дополнительных средств, для чего используется ограниченное число специально генерируемых комбинаций входных величин, соответствующих наиболее ответственным или тяжелым условиям эксплуатации.

Ряд функциональных устройств приходится тестировать совместно, для того чтобы можно было замкнуть цепочку: микроЭВМ - задание тестового сигнала - тестируемый модуль - входной сигнал - микроЭВМ (анализ выходного сигнала).

Следующим классом функций являются сервисные функции. Они позволяют ввести режим диалога оператора и микропроцессорного прибора, что позволяет максимально использовать преимущества вычислительной техники для автоматизации рутинных процессов сбора и обработки информации, давать подсказку оператору в виде указания последовательности действий, замечаний при неверных действиях, предлагать несколько альтернативных вариантов алгоритмов измерений и обработки.

Можно выделить следующие этапы измерения и анализа с применением диалога:

ввод задания;

сбор и последовательная обработка измерительной информации;

основная обработка и интерпретация результатов;

вывод результатов для документирования и архивации.

Приведенный перечень, выполняемых микропроцессорами функций в измерительных приборах определяет и основные типы приборов со встроенным микропроцессором.

Наиболее широко используются следующие типы средств измерений:

многопредельные вольтметры;

вольтамперметры c автоматической коррекцией погрешностей и программной обработкой результатов измерений;

мосты и компенсаторы переменного тока с автоматизацией процесса уравновешивания;

регистрирующие приборы с АЦП - преобразование с управлением визуализацией данных;

приборы и преобразователи для измерения неэлектрических величин с устройствами коррекции погрешностей, обработкой данных по определенным алгоритмам (корреляционные расходомеры) и др.

Схема типового измерительного прибора, позволяющего преобразовать данные на входе в цифровую форму и производить их обработку цифровыми методами приведена ниже на рисунке.