Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Введение

Споры о том, что лучше, беспроводное или проводное оборудование не утихают уже много лет. Однако, по мнению большинства специалистов создание сетей беспроводных датчиков являются одной из самых перспективных направлений развития электроники [1].

Распределенные сети беспроводных датчиков обещают стать для крупных систем тем же, чем стали для компьютеров портативных устройств интегральные микросхемы, полностью изменив методы их изучения, разработки и управления.

В промышленности такие системы могут быть использованы на больших площадях для контроля влажности, температуры, давления и бесконечного числа других параметров и способны обеспечить предсказание состояния производственных систем.

Использование датчиков в военной технике позволит получать такую жизненно важную информацию, как наличие мин, ядовитых веществ или источников электромагнитного излучения не только для немедленного предупреждения об опасности, но и для изучения поведения техники на поле боя. Это позволит разработчикам усовершенствовать следующие поколения военной техники.

Для контролируемого пункта телемеханики применяются проводные системы для связи оператора с датчиками давления, что создает определенные трудности и опасности для работы оператора находящегося вблизи пункта телемеханики. Потенциально возможно использование беспроводных технологий позволяющие обезопасить работу оператора и сократить время на обход всех датчиков. разработать подсистему беспроводной связи ближнего радиуса действия.

С учетом сказанного тема дипломного проекта «Организация беспроводного ближнего канала связи контрольного пункта телемеханики с переносным пультом управления» безусловно является актуальной.

Целью дипломного проектирования является повышение качества обслуживания контрольного пункта телемеханики за счет разработки для него программно-аппаратного средства, решающего задачи автоматизации и безопасности.

Объектом исследования в ходе дипломного проектирования выбрано предприятие ООО «АСУ ПРО», а предметом исследования является процесс сбора информации контрольного пункта телемеханики.



1. Обзорно-постановочный раздел

1.1 Краткая характеристика объекта исследования

программный технологический автоматизированный телемеханика

ООО «АСУ ПРО» организовалась на базе специалистов отдела автоматизации «Научно-производственного управления» ОАО «Оренбургнефть», основным профилем деятельности которых являлась разработка и последующее внедрение автоматизированных систем управления технологическими процессами (АСУ ТП). Зарегистрирована в 2004 г. Производственная деятельность началась в 2005 г. [2]

Общество осуществляет следующие основные виды деятельности (в соответствии с разрешительными документами аккредитующих и надзорных ведомств):

- подготовка технических решений по созданию автоматизированных систем АСУ ТП, телемеханики технологических объектов и реализация решений «под ключ»;

- комплексное проектирование, строительно-монтажные работы и пуско-наладочные работы, а также сервисное обслуживание законченных объектов и систем, метрологическое обеспечение;

- автоматизация отдельных видов технологических процессов транспорта и подготовки нефти и газа, технический и коммерческий учёт энергоресурсов;

- приемо-сдаточные испытания на всех стадиях пуско-наладочных работ, разработка необходимых методик измерений и испытаний (МИ);

- создание и внедрение автоматизированных систем контроля и учёта энергоресурсов (АСУЭ), метрологическое обеспечение средств измерений (СИ) и из-мерительных каналов автоматизированных систем телемеханики, АСУ ТП, АСУЭ, АСТУЭ, АСКУЭ, и др.);

- метрологическая экспертиза технической документации;

- инжиниринговые услуги;

- инструментальные измерения и испытания (в электроустановках) измерительных комплексов и систем энергообеспечения;

- энергетические обследования (в части испытаний и измерений в электро-установках).

- внедрение на автоматизируемых объектах современных методов и средств измерений, автоматизированного контрольно-измерительного оборудования, информационно-измерительных систем и комплексов;

- внедрение средств управления и регулирования в соответствии со стандартами отрасли или концепцией перспективного развития создаваемого объекта;

- при разработке систем автоматизации высокопрофессиональные специалисты компании разрабатывают и адаптируют программное общесистемное и уникальное программное обеспечение (ПО) среднего и верхнего уровней, выполняют стыковки программно-технических средств различных производителей;

- на нижнем уровне СА (уровне сбора данных, управления и регулирования) разрабатываются технические решения по привязке микропроцессорной техники и ПО к конкретному технологическому оборудованию, составу базы данных, алгоритму обработки данных, учитывающие специфику каждого автоматизируемого объекта;

- монтаж (демонтаж), наладка, испытания, ремонт, калибровка, регулировка, пуск, аттестация и поверка средств измерений на технологических объектах;

- организация сборочного производство сертифицированных шкафов и щитов телемеханики, АСУ и других;

- производство программно-технических комплексов (ПТК) шкафного исполнения (шкафы автоматизации ША, ШТ., ШДП, ШС).

Компания ООО «АСУ ПРО» обладает необходимым для производства этой продукции потенциалом.

Вся серийно выпускаемая продукция сертифицирована в системе ГОСТ Р и соответствуют высоким стандартам качества и надежности.

Для реализации производственных задач ООО «АСУ ПРО» обладает не-обходимым парком метрологического, испытательного, измерительного и вспомогательного оборудования.

Актуализированная нормативная база, аттестованные методики измерений (МИ), стандарты системы менеджмента качества ООО «АСУ ПРО» (СТО СМК) обеспечивают реализацию всех необходимых требований к качеству, составу и технологии выполняемых работ.

Квалифицированный персонал, работающий в Обществе, имеет необходимую техническую базу, профессиональную подготовку, свидетельства и право допуска на особо опасные производства и энергообъекты предприятий.

ООО «АСУ ПРО» на основе договоров (контрактов) обеспечивает единичное производство и поставку потребителям шкафов управления, систем телемеханики и АСУЭ, осуществляет гарантийное и сервисное обслуживание всей выпускаемой продукции.

В роли потребителя могут выступать любые организации (ведомства, фирмы и др.), которые либо используют продукцию непосредственно, либо заказывают ее в интересах других организаций.

Задачи в области качества:

- всестороннее изучение рынка профильных услуг;

- мониторинг непрерывно изменяющихся запросов потребителей;

- расширение спектра и совершенствование структуры оказываемых услуг;

- внедрение и постоянного совершенствования Системы менеджмента качества, соответствующей требованиям ГОСТ Р ИСО 9001-2008 (ISO 9001:2000), позволяющее повышать конкурентоспособность ООО «АСУ ПРО»;

- развитие и постоянное улучшение процессов управления, основных и поддерживающих процессов СМК;

- регулярное установление и анализ реализуемости измеримых целей в области качества на соответствующих уровнях и во всех направлениях деятельности предприятия;

- построение устойчивых взаимовыгодных отношений с Потребителями и Поставщиками;

- систематическое повышение квалификации и уровня профессиональной подготовки персонала ООО «АСУ ПРО»;

- рациональное использование всех видов ресурсов;

- чёткое исполнение своих обязательств по отношению ко всем заинтересованным сторонам.

На сегодняшний день организация имеет в своём составе 3 филиала (Уфимский, Самарский и Дальневосточный).

Профессиональный состав организации - более 500 человек.

Организационная структура предприятия приведена в приложении А на рисунке А.1.

Объект исследования - контрольный пункт (КП) телемеханики.

Основной функциональной составляющей КП телемеханики является шкаф телемеханики (ШТ.).

Шкаф телемеханики энергонезависимое устройство телемеханики, уличного исполнения, предназначенное для дистанционного автоматизированного контроля технологических параметров в условиях отсутствия внешнего сетевого электроснабжения.

Предназначен для функционирования в составе системы телемеханики с обеспечением взаимодействия с диспетчерским пунктом по каналам связи системы линейной телемеханики или по промышленной вычислительной сети. ШТ. является проектно-компонуемым изделием, состав и количество функциональных устройств которого определяется в соответствии с конфигурацией конкретного объекта.

Благодаря данному оборудованию осуществляются следующие действия:

- собирается вся информация об аналоговых сигналах с датчиков, при помощи блоков аналогичных вводов телемеханического устройства;

- собираются данные со всех агрегатов через проводную канальную связь либо используется вся информация шкафов расширения через проложенные цифровые каналы;

- предварительно обрабатывается вся собранная информация;

- обрабатывается собранная информация по заданным параметрам;

- вся собранная информация передается при помощи верхового уровня автоматизированной системы управления.

Источниками обеспечения электроэнергией оборудования являются штатные блоки аккумуляторных батарей, подзаряжаемые солнечным модулем и ветровым электрогенератором.

К ШТ. подключаются датчики давления предназначенные для непрерывного преобразования в унифицированный токовый выходной сигнал входных из-меряемых величин давления. Измеряемые среды взрывоопасны: жидкости, в том числе нефтепродукты, пар, газ, газовые смеси.

Таким образом, «АСУ ПРО» является одним из ведущих предприятии по подготовке технических решений по созданию автоматизированных систем АСУ ТП в России, имеющий довольно разветвленную структуру.

1.2 Описание технологического процесса удаленного контрольного пункта телемеханики

Выбранный технологический процесс представляет из себя систему телемеханики.

Телемеханика - отрасль науки и техники, охватывающая теорию и технические средства контроля и управления объектами на расстоянии с применением специализированных преобразований сигналов для эффективного использования каналов связи.

Особое значение телемеханика приобретает в связи с созданием автоматизированных систем управления (АСУ). Обработка данных, полученных по каналам телемеханики, на ЭВМ позволяет значительно улучшить контроль за технологическим процессом и упростить управление. Поэтому в настоящее время вместо понятия «телемеханика» всё чаще и чаще используется сокращение АСУТП - автоматизированная система управления технологическим процессом. Современная система телемеханики также немыслима без компьютера, поэтому можно сказать, что телемеханика и АСУТП - близнецы-братья. Разница между этими понятиями улавливается лишь по времени появления и по традиции использования. Например, в энергетике предпочитают использовать слово телемеханика, на промышленных предприятиях - АСУТП.

Предприятия химической, атомной, металлургической, горнодобывающей промышленности, электрические станции и подстанции, насосные и компрессорные станции (на нефте- и газопроводах, в системах ирригации, тепло- и водо-снабжения), аэропорты, усилительные и ретрансляционные установки на линиях связи, системы охранной сигнализации и т.д.

Аппаратура телемеханики (обычно называемая контроллером) на КП собирает информацию об объекте посредством датчиков и преобразователей.

Датчиками могут быть простые двухпозиционные переключатели, состоя-ние которых изменяется при изменении состояния объекта (включен / выключен, норма / авария и т.п.). Обычно контроллер КП следит за состоянием датчиков и при изменении хотя бы одного из них передает на ПУ посылку, которую называют Телесигналом (ТС). Контроллер ПУ, получив ТС, передает его на ЭВМ и контроллер щита. Программа на ЭВМ изменяет состояние изображения контролируемого объекта на схеме и предупреждает диспетчера звуковым сигналом. Контроллер щита зажигает на щите соответствующий индикатор.

Для количественной оценки состояния объекта на КП применяют преобразователи, которые преобразуют физические параметры (температура, давление, напряжение, ток) в нормированные электрические сигналы. Контроллер КП из-меряет значения этих сигналов и передает их на ПУ в цифровом виде в посылках Телеизмерений (ТИ). Аналогично ТС, ТИ поступают на ЭВМ и щит для отображения. Программа для ЭВМ может отслеживать уровни приходящих измерений и сигнализировать, например, о превышении критического порога (уставки).

Современные контроллеры КП могут получать информацию не только с датчиков и преобразователей, но и с различных микропроцессорных устройств, например, приборов учета, токовых защит. Для стыковки с такими устройствами применяют один из локальных интерфейсов, например, RS-485. Информационный обмен идет с использованием одного из совместимых протоколов, например, Modbus.

В современной системе телемеханики большое внимание уделяется программному обеспечению системы и интеграции с действующими системами и программными комплексами. Стандартом стало графическое представление схем контролируемого процесса (мнемосхем) с «живым» отображением текущего со-стояния, управление объектом с кадров мнемосхем.

В программном обеспечении наблюдается тенденция к стандартизации программных интерфейсов систем сбора данных и обрабатывающих программ (технология OPC), возрастает потребность экспорта собранных данных в специализированные программы (расчета режимов, планирования, аналитические, АРМ специалистов). В условиях усложнения систем повышается роль средств диагностики и отладки.

С технической стороны в системах всё чаще используются современные скоростные каналы связи (оптоволокно, Ethernet) и беспроводные технологии (например сотовая связь). Вместе с тем сохраняется потребность стыковки с морально (а иногда и физически) устаревшими «унаследованными» системами, с сохранением их протоколов связи. На контролируемых объектах всё чаще возникает необходимость стыковки с локальными технологическими системами.

Наряду с усложнением самих систем и их программного обеспечения наблюдается изменение требований к реализуемым функциям. К традиционным функциям телемеханики (телесигнализация, телеизмерение, телеуправление) добавляются функции энергоучета, транспорта данных с локальных автоматических приборов. К обычным функциям контроля за изменением состояния и превышения предельных значений добавляются возможности текущих расчетов и логического анализа (например, балансные расчеты).

Современная автоматизация индустрии предъявляет все большие требования к центральному управлению всеми приводами, также как и датчиками (например, фотодатчики, температурные датчики, бесконтактные датчики и т.д.).

Система телемеханики построена по трехуровневому иерархическому принципу. Она представляет собой распределенный комплекс, состоящий из системы информационного обеспечения диспетчера и удаленно расположенных контролируемых пунктов, объединенных по каналам связи телемеханическими протоколами.

Верхний уровень - уровень управления из районных или местных диспетчерских пунктов (серверы ввода-вывода, АРМ диспетчера).

Сетевой уровень - коммуникационное оборудование.

Средний уровень - линейные контрольные пункты (щиты линейной теле-механики ЩТМ, построенные на базе логических программируемых контроллеров).

Нижний уровень - непосредственно исполнительные механизмы и устройства, датчики и приборы.

Специфическими особенностями телемеханики являются:

- удалённость объектов контроля и управления;

- необходимость высокой точности передачи измеряемых величин;

- недопустимость большого запаздывания сигналов;

- высокая надёжность передачи команд управления;

- высокая степень автоматизации процессов сбора информации.

Таким образом, внедрение телемеханических систем позволяет сократить численность обслуживающего персонала, уменьшает простои оборудования, освобождает человека от работы во вредных для здоровья условиях

1.3 Актуальность разработки автоматизированной системы технологического процесса удаленного контрольного пункта телемеханики

КП телемеханики связано с диспетчерским пунктом удаленно на большом расстояний. Целесообразно для обслуживающего персонала использовать на месте отдельное устройство. Так как этот персонал работает непосредственно на объекте, то ему небезопасно находиться в близости к шкафу управления, который в свою очередь находится во взрывоопасной зоне.

Возникает потребность обезопасить работу обслуживающего персонала. Самый рациональный и возможно единственный способ это вывести органы управления и сбора информаций КП телемеханики за пределы взрывоопасной зоны. Для решения поставленной задачи предлагается использование беспроводной связи для удобства пользования и отсутствием необходимости монтажа кабелей.

Для устранения данных проблем рекомендуется применение автоматизаций средствами вычислительной техники с программно-аппаратной реализацией

В проекте будет применяться программно-аппаратная реализация на базе двух устройств приемника и передатчика.

В качестве аппаратной составляющей в передатчике используются два устройства объединённых в одно: микроконтроллера для сбора данных через аналого-цифровой преобразователь и устройства беспроводной передачи. В приемнике используется только устройство беспроводной связи для подключения к переносному пульту.

В качестве программной составляющей осуществляющей первичную об-работку применяется шестиканальный аналого-цифровой преобразователь микроконтроллера задействованный подключаемыми библиотеками.

Аналого-цифровые преобразователи являются устройствами, которые принимают входные аналоговые сигналы и генерируют соответствующие им цифровые сигналы, пригодные для обработки микропроцессорами и другими цифровыми устройствами.

Разрешение преобразователя составляет 10 двоичных разрядов, что позволяет на выходе получать значения от 0 до 1023. Эти числа соответствуют напряжениям в пределах от 0 до 5 вольт.

Многоканальность означает, что на входе единственного модуля аналого-цифрового преобразователя установлен аналоговый мультиплексор, который может подключать этот вход к различным выводам микроконтроллера для осуществления измерений нескольких независимых аналоговых величин с разнесением по времени. Входы мультиплексора могут работать по отдельности (в несимметричном режиме для измерения напряжения относительно «земли») или (в не-которых моделях) объединяться в пары для измерения дифференциальных сигналов. Иногда аналого-цифровой преобразователь дополнительно снабжается усилителем напряжения с фиксированными значениями коэффициента усиления 10 и 200.

Сам аналого-цифровой преобразователь представляет собой преобразователь последовательного приближения с устройством выборки-хранения и фиксированным числом тактов преобразования, равным 13 (или 14 для дифференциального входа; первое преобразование после включения потребует 25 тактов для инициализации аналого-цифрового преобразователя). Тактовая частота формируется аналогично тому, как это делается для таймеров- с помощью специального предделителя тактовой частоты микроконтроллера, который может иметь коэффициенты деления от 1 до 128. Но в отличие от таймеров, выбор тактовой частоты аналого-цифрового преобразователя не совсем произволен, т.к. быстро-действие аналоговых компонентов ограничено. Поэтому коэффициент деления следует выбирать таким, чтобы при заданной частоте кварцевого генератора тактовая частота аналого-цифрового преобразователя укладывалась в рекомендованный диапазон 50-200 кГц (т.е. максимум около 15 тыс. измерений в секунду). Увеличение частоты выборки допустимо, если не требуется достижение наивысшей точности преобразования.

Разрешающей способности для большинства типовых применений достаточно. Абсолютная погрешность преобразования зависит от ряда факторов и в идеальном случае не превышает ±2 младших разрядов, что соответствует общей точности измерения примерно 8 двоичных разрядов. Для достижения этого результата необходимо принимать специальные меры: не только «вгонять» тактовую частоту в рекомендованный диапазон, но и снижать по максимуму интенсивность цифровых шумов. Для этого рекомендуется, как минимум, не использовать оставшиеся выводы того же порта, к которому подключен АЦП, для обработки цифровых сигналов, правильно разводить платы, а как максимум - дополнительно к тому еще и включать специальный режим ADC Noise Reduction (спящий режим).

В этом режиме останавливается процессор, но АЦП, внешние прерывания, TWI, таймер / счетчик, сторожевой таймер (если включен) продолжают работать.

Отметим также, что АЦП может работать в двух режимах: одиночного и непрерывного преобразования. Второй режим целесообразен лишь при максимальной частоте выборок. В остальных случаях его следует избегать, т.к. обойти в этом случае необходимость параллельной обработки цифровых сигналов, как правило, невозможно, а это означает снижение точности преобразования.

Для сопряжения одного устройства беспроводной связи с переносным пультом используется порт USB, для другого устройства с микроконтроллером используется прямое соединение. В обоих случаях работает стандарт UART/TTL.

Программно-технический комплекс имеет трехуровневую структуру, как показано на рисунке 1.1.

Рисунок 1.1 - Трехуровневая иерархическая структура

Таким образом, необходимо организовать использование беспроводной связи для более удобных и безопасных условий труда.



1.4 Постановка цели и задач на дипломное проектирование

Целью дипломного проектирования является повышение качества обслуживания контрольного пункта телемеханики за счет разработки для него программно-аппаратного средства, решающего задачи автоматизации и безопасности.

Для контролируемого пункта телемеханики необходимо разработать подсистему беспроводной связи ближнего радиуса действия.

Необходимо разработать программно-аппаратное средство выводящее органы сбора информаций КП телемеханики за пределы взрывоопасной зоны в которую попадает находящийся на объекте обслуживающий персонал.

Разрабатываемая подсистема должна обеспечивать передачу информации по беспроводному каналу связи от КП ТМ в переносной пульт управления системы телемеханики, который может размещаться на удалении от 100 до 1000 м. от КП.

Для решения поставленной задачи возможно использование беспроводной связи.

Для достижения этой цели необходимо решить следующие задачи:

1) Выбрать технические средства, на которых будет решена задача. Устройства должны быть совместимы как между собой так и со средой применения.

2) Подобрать контроллер разрядность АЦП которого позволяет производить измерения аналоговых датчиков не выходя за рамки допустимой погрешности.

3) Реализовать АЦП на контроллере.

4) Подобрать устройство связи позволяющее передавать сигнал на необходимое и достаточное расстояние без потерь.

5) Создать программное средство позволяющее в наглядной форме про-изводить считывание данных оператором.

6) Учесть требования по энергопотреблению в первую очередь по причине экономий заряда батарей. Так как питание на объекте автономное. Сеть постоянного тока 5 В.

7) Обеспечить работоспособность в диапазоне рабочих температур - 40..+60С

8) Провести экономическое обоснование разрабатываемого программно-аппаратного средства. Устройство должно иметь адекватную цену.

9) Обеспечить безопасность условий труда.



2. Проектный раздел

Для решения всех поставленных задач дипломного проектирования, касающихся разработки программно-аппаратного средства для построения автоматизированной системы, следует выбрать гибкий и эффективный язык программирования, позволяющий создать современный, интуитивно понятный и удобный пользовательский интерфейс. Кроме этого, необходимо учитывать совместимость оборудования, так как все компьютеры технико-эксплуатационной части работают под управлением операционных систем семейства Windows от компании Microsoft. Разработана структурная схема подсистемы ближней связи контрольного пункта системы телемеханики, которая представлена в приложений Б, рисунок Б.1.

2.1 Выбор и разработка аппаратных средств автоматизаций

Основой разрабатываемой системы служит программируемый контроллер. Так как в рамках разрабатываемого проекта необходимо использование аналого-цифрового преобразования, то используется микроконтроллеров, поскольку практически во всех микроконтроллерах присутствует аналого-цифровое преобразование.

Выбор пал на популярное семейство 8-ми разрядных микроконтроллеров фирмы Atmel, в котором был выбран ATmega328. Здесь присутствует 10-ти битный аналого-цифровой преобразователь работающий по напряжению 0..5В.

Внешний вид микросхемы приведен на рисунке 2.1 [5].



Рисунок 2.1 - Микроконтроллер ATMEGA328

Кристалл прост в программирований, имеет низкое энергопотребление, низкую стоимость, малые габариты и высокую отказоустойчивость.

ATMega328 содержит аж 32кБайта встроенной flash памяти, что по меркам микроконтроллера ну просто очень много для решения многих задач. Тем не менее у микроконтроллера так же достаточно большой объем оперативной памяти 2кБайта

Производительность составляет до 20 миллионов итераций в секунду (MIPS).

AVR функционируют при напряжениях питания от 1,8 до 6,0 Вольт. Ток потребления в активном режиме зависит от величины напряжения питания и частоты, на которой работает микроконтроллер, и составляет менее 1 мА для 500 кГц, 5..6 мА для 5 МГц и 8..9 мА для частоты 12 МГц.

AVR могут быть переведены программным путем в один из трех режимов пониженного энергопотребления.

Тип корпуса DIP28. Также как и другие кристаллы имеет хорошую термостойкость и работает в диапазоне -45..85 градусов Цельсия.

Расположение выводов микросхемы представлено на рисунке 2.2 [3].



Рисунок 2.2 - Порты ввода / вывода ATMEGA328

Далее необходимо выбрать устройство для беспроводной передачи данных и выбор пал на APC220 фирмы APPCON Technologies. Данный передатчик обладает достаточной помехозащищенностью и дальностью связи при этом имея низкое энергопотребление, невысокую стоимость и малые габариты. Несомненное преимущество это наличие прозрачного UART интерфейса, что позволяет без проблем подключаться как к микроконтроллеру так и к переносному пульту управления.

Передатчик имеет удобный модульный способ монтажа. Два режима работы: приёмник, передатчик. Стандарт передачи данных проприетарный (закрытый). Так же имеет высокоскоростной встроенный микроконтроллер и высокопроизводительный чип ADF7020-1, с возможностью само - коррекции ошибок кодирования.

Скорость передачи данных достаточная для решения задачи 19 кбит/с. Мощность передатчика 13 дБ, а чувствительность приемника -113 дБ.

Режим холостого хода. Прекращает работу только процессор и фиксируется содержимое памяти данных, а внутренний генератор синхросигналов, таймеры, система прерываний и сторожевой таймер продолжают функционировать. Ток потребления не превышает 2,5 мА на частоте 12 МГц.

Стоповый режим. Сохраняется содержимое регистрового файла, но останавливается внутренний генератор синхросигналов, и, следовательно, останавливаются все функции, пока не поступит сигнал внешнего прерывания или аппаратного сброса. При включенном сторожевом таймере ток потребления в этом режиме составляет около 80 мкА, а при выключенном - менее 1 мкА. (Все приведенные значения справедливы для напряжения питания 5 В).

Экономичный режим. Продолжает работать только генератор таймера, что обеспечивает сохранность временной базы. Все остальные функции отключены.

Мощные выходные драйверы обеспечивают токовую нагрузочную способность 20 мА на линию порта (втекающий ток) при максимальном значении 40 мА, что позволяет, например, непосредственно подключать к микроконтроллеру светодиоды и биполярные транзисторы. Общая токовая нагрузка на все линии одного порта не должна превышать 80 мА (все значения приведены для напряжения питания 5 В).

При всех вышеуказанных характеристиках устройства могут связываться между собой на расстояний до 1 км.

Следует упомянуть на какой частоте передаются данные на такое не самое маленькое расстояние. Рабочая частота 418..455 Mhz. По сравнению с другими устройствами работающие на частоте 2.4 Ghz выбранное устройство с более меньшей частотой применять целесообразней, поскольку требуются меньшие габариты и меньшее энергопотребление.

Устройство беспроводной передачи данных APC220 и назначение его выводов показаны на рисунках 2.3 и 2.4 соответственно [5].



Рисунок 2.3 - Устройство передачи данных APC220

Рисунок 2.4 - Порты ввода / вывода APC220

Для обеспечения работы микроконтроллера и тестирования его работы требуются сопутствующие компоненты микроэлектроники: обвязки, кварцевый генератор, программатор и т.д. Так как травление платы не является обязательным условием, да и выглядит это не очень эстетично было решено закупить готовую отладочную плату, которая плюс ко всему стоит ненамного дороже отдельных её компонентов в сумме.

Также данное решение комплектуется собственной кроссплатформенной средой разработки, которая еще и позволяет легко и просто использовать устройство, что является неотъемлемым плюсом для конечного пользователя. Внешний вид платы представлен на рисунке 2.5 [4].

Рисунок 2.5 - Отладочная плата

Плата имеет свое расположение выводов в отличие от микроконтроллера.

Все элементы автоматики подбираются таким образом, что бы в случае поломки их можно было легко заменить.

С учетом вышесказанного можно выбрать программную платформу.

Выбор ложится на кроссплатформенную среду разработки Arduino IDE идущей в комплекте с отладочной платой и удовлетворяющей всем потребностям одновременно и разработчика и конечного пользователя.

Таким образом, использование всех рассмотренных устройств позволяет достичь поставленной цели и организовать подсистему беспроводной связи ближнего радиуса действия.



2.2 Разработка программного обеспечения оборудования и АРМ оператора

Архитектура программного средства

Архитектура программного и аппаратного средства тесно связаны и в рамках поставленной задачи не могут рассматриваться отдельно. Поскольку программную архитектуру задает её аппаратная архитектура.

Рассмотрим архитектуру аппаратного средства:

Для решения поставленной задачи не требующее высокой мощности до-статочно использование 8-ми битного процессора построенного на принципах RISC архитектуры.

RISC - вычисления с сокращённым набором команд.

Это концепция проектирования процессоров, которая во главу ставит следующий принцип: более компактные и простые инструкции выполняются быстрее. Простая архитектура позволяет удешевить процессор, поднять тактовую частоту, а также распараллелить исполнение команд между несколькими блоками исполнения. Сравнительные характеристики CISC и RISC архитектур представлены в таблице 2.6.

Таблица 2.6 - Сравнительна характеристика CISC и RISC архитектур

CISC-архитектура	RISC-архитектура
Многобайтовые команды	Однобайтовые команды
Малое количество регистров	Большой количество регистров
Сложные команды	Простые команды
Одна или менее команд за один цикл процессора	Несколько команд за один цикл процессора
Традиционно одно исполнительное устройство	Несколько исполнительных устройств

При реализации микропроцессоров традиционно используется два под-хода к построению архитектуры:

- архитектура фон Неймана;

- гарвардская архитектура.

В целях достижения максимальной производительности и параллелизма у AVR-микроконтроллеров используется Гарвардская архитектура с раздельными памятью и шинами программ и данных. В соответствии с которой разделены не только адресные пространства памяти программ и памяти данных, но и шины до-ступа к ним. Каждая из областей памяти данных (оперативная и постоянная па-мять) также расположена в своем адрес-ном пространстве. Эта особенности определили области применения гарвардской архитектуры, где требуется обеспечить высокую надёжность работы аппаратуры. Структурная схема гарвардской архитектуры представлена на рисунке 2.7.

Рисунок 2.7 - Структурная схема гарвардской архитектуры

Команды в памяти программ выполняются с одноуровневой конвейеризацией. В процессе выполнения одной инструкции следующая предварительно считывается из памяти программ. Данная концепция позволяет выполнять одну инструкцию за один машинный цикл. Память программ представляет собой внутрисистемно программируемую флэш-память.

Все AVR имеют Flash-память программ, которая может быть различного размера - от 1 до 256 КБайт. Ее главное достоинство в том, что она построена на принципе электрической перепрограммируемости, т.е. допускает многократное стирание и запись информации. Программа заносится во Flash-память AVR как с помощью обычного программатора, так и с помощью SPI-интерфейса, в том числе непосредственно на собранной плате. Возможностью внутрисхемного программирования (функция ISP) через коммуникационный интерфейс SPI обладают все микроконтроллеры AVR.

Все микроконтроллеры семейства Mega имеют возможность самопрограммирования, т.е. самостоятельного изменения содержимого своей памяти программ. Эта особенность позволяет создавать на их основе очень гибкие системы, алгоритм работы которых будет меняться самим микроконтроллером в зависимости от каких-либо внутренних условий или внешних событий.

Гарантированное число циклов перезаписи Flash-памяти у микроконтроллеров AVR второго поколения составляет не менее 10 тыс. циклов при типовом значении 100 тыс. циклов. (В официальной технической документации Atmel Corp. указывается значение 10 тыс. циклов.)

Память данных разделена на три части: регистровая память, оперативная память и энергонезависимая память.

Регистровая память включает 32 регистра общего назначения, объединенных в файл, и служебные регистры ввода / вывода. И те и другие расположены в адресном пространстве ОЗУ, но не являются его частью.

В области регистров ввода / вывода расположены различные служебные регистры (регистры управления микроконтроллером, регистры состояния и т.п.), а также регистры управления периферийными устройствами, входящими в состав микроконтроллера. По сути, управление микроконтроллером заключается в управлении этими регистрами.

Для долговременного хранения различной информации, которая может изменяться в процессе функционирования микроконтроллерной системы, используется энергонезависимая память. Все AVR имеют блок энергонезависимой электрически перезаписываемой памяти данных. Этот тип памяти, доступный программе микроконтроллера непосредственно в ходе ее выполнения, удобен для хранения промежуточных данных, различных констант, коэффициентов, серийных номеров, ключей и т.п. Энергонезависимая память может быть загружена извне как через SPI интерфейс, так и с помощью обычного программатора.

Внутренняя оперативная статическая память Static RAM (SRAM) имеет байтовый формат и используется для оперативного хранения данных.

Число циклов чтения и записи в RAM не ограничено, но при отключении питающего напряжения вся информация теряется.

Функциональная схема архитектуры AVR представлена на рисунке 2.8

Рисунок 2.8 - Функциональная схема архитектуры AVR

Основой процессорного блока в используемом микроконтроллере служит арифметико-логическое устройство. По системному тактовому сигналу из памяти программ в соответствии с содержимым счетчика команд выбирается очередная команда и выполняется арифметико-логическим устройством. Высокопроизводительное АЛУ AVR-микроконтроллеров работает в непосредственной связи со всеми 32 универсальными рабочими регистрами. Регистровый файл с быстрым доступом содержит 32 8-ми разрядных рабочих регистров общего назначения с однотактовым циклом доступа. Благодаря этому достигнута однотактность работы арифметико-логического устройства (АЛУ). При обычной работе АЛУ сначала из регистрового файла загружается два операнда, затем выполняется операция, а после результат отправляется обратно в регистровый файл и все это происходит за один машинный цикл.

АЛУ позволяет выполнить за один машинный цикл операцию между двумя регистрами или между регистром и константой. АЛУ поддерживает арифметические и логические операции между регистрами, а также между константой и регистром. Кроме того, АЛУ поддерживает действия с одним регистром. После выполнения арифметической операции регистр статуса обновляется для отображения результата выполнения операции. Также архитектурой ATmega поддерживаются операции умножения со знаком и без знака и дробным форматом. Во время выбора команды из памяти программ происходит выполнение предыдущей вы-бранной команды, что и позволяет достичь быстродействия 1 MIPS на 1 МГц.

Арифметико-логическое устройство подключено к регистрам общего назначения РОН. Регистров общего назначения всего 32, они имеют байтовый формат, то есть каждый из них состоит из восьми бит. РОН находятся в начале адресного пространства оперативной памяти, но физически не являются ее частью. Поэтому к ним можно обращаться двумя способами (как к регистрам и как к памяти). Такое решение является особенностью AVR и повышает эффективность работы и производительность микроконтроллера.

Для считывания аналоговых сигналов наше AVR как и многие другие имеет на борту аналого-цифровое преобразование последовательного приближения и компаратор аналоговых сигналов (сравнивающее устройство). Задействован будет АЦП, поскольку для компаратора требуется большее количество проводов. Первое о чем нужно сказать - АЦП микроконтроллера умеет измерять только напряжение. Измеряемый диапазон разбивается на части: ноль минимальное значение, максимальному значению соответствует напряжение источника опорного напряжения(ИОН). АЦП в нашем микроконтроллере 10-ти разрядное. Это не-плохой инструмент для контроля напряжения и выдающее частоту дискретизаций до 15кГц (15 тысяч выборок в секунду).

Напряжения на входа измеряются относительно опорного напряжения. Измеренное напряжение преобразуется в 10-битное число и сохраняется в регистрах ADCL и ADCH. В непрерывном режиме АЦП периодически измеряет входное напряжение и по окончании преобразования записывает результат в регистры ADCL и ADCH. В режиме однократного преобразования мы должны инициировать каждое преобразование самостоятельно.

В МК ATmega328 номер вывода подключенного к входу АЦП задается с помощью регистра ADMUX - регистр мультиплексора АЦП. На рисунке 2.9 показано какие биты за что отвечают в этом регистре.

Рисунок 2.9 - Назначение битов в регистре ADMUX

Биты 7:6 - REFS1:REFS0. Биты выбора опорного напряжения. Если мы будем менять эти биты во время преобразования, то изменения вступят в силу только после текущего преобразования. В качестве опорного напряжения может быть выбран AVCC (напряжение источника питания), AREF или внутренний 2.56В источник опорного напряжения.

В данные биты можно записать следующие значения:

REFS1:REFS0

00 AREF

01 AVcc, с внешним конденсатором на AREF

10 Резерв

11 Внутренний 2.56В источник, с внешним конденсатором на AREF

Бит 5 - ADLAR. Определяет как результат преобразования запишется в регистры ADCL и ADCH.

ADLAR = 0

ADLAR = 1

Результат виден на рисунке 2.10

Рисунок 2.10 - Регистр ADMUX после ввода данных

Как можно видеть при ADLAR = 0 в ADCH записываются два старших бита (2 MSB), а остальные в ADCL. А при ADLAR = 1 в ADCH записываются 8 старших битов (8 MSB), а два младших (2 LSB) в ADCL. Это удобно, если для точности ваших измерений достаточно 8-ми старших бит преобразования.

Сигнал в аналого-цифровой преобразователь подается через мультиплексор, с одного из шести входов. Выбор входа осуществляется регистром ADMUX, а точнее его битами MUX3…MUX0. Записанное туда число определяет выбранный вход. Например, если MUX3..0 = 0100, то подключен вывод ADC4.

Биты 3:0 - MUX3:MUX0 - Биты выбора аналогового канала.

MUX3:0

0000 ADC0

0001 ADC1

0010 ADC2

0011 ADC3

0100 ADC4

0101 ADC5

0110 ADC6

0111 ADC7

Если нужно проверить несколько каналов, то можно изменить соответствующие биты в регистре ADMUX и канал сменится сразу же по окончании текущего преобразования. Т.е. в режиме непрерывного преобразования можно лег-ко произвести сканирование нужных каналов. Просто меняя номер канала во время преобразования - следующее преобразование начнется на новом канале.

Кроме того, существует несколько служебных комбинаций битов MUX, использующихся для калибровки.

Например, 1110 подключает к АЦП внутренний источник опорного напряжения на 1.22 вольта. А если записать в MUX3..0 все единицы, то АЦП будет изнутри посажено на землю. Это полезно для выявления разных шумов и помех.

Выбор опорного сигнала.

Это максимальное напряжение, которое будет взято за максимум при измерениях. Опорное напряжение должно быть, как можно стабильней, без помех и колебаний - от этого кардинальным образом зависит точность работы АЦП. За-дается он в битах REFS1..0 регистра ADMUX.

По умолчанию там стоит REFS1..0 = 00 - внешний ИОН, подключенный к входу AREF. Это может быть напряжение со специальной микросхемы опорного напряжения, или же со стабилитрона какого, если нужно замерять небольшое напряжение, заметно меньшее чем напряжение питания, скажем от 0 до 1 вольт, то чтобы было точнее, и чтобы оно не затерялось на фоне пятивольтного питания, то на AREF мы заводим опорное напряжение в 1 вольт.

REFS1..0 = 01 просто берется напряжение питания. Почти у всех МК с АЦП есть вход AVCC - это напряжение питания для AЦП и порта на который это АЦП повешено. Подавать туда плюс питания желательно через LC фильтр, чтобы не было искажений.

REFS1..0 = 11 - внутренний источник опорного напряжения на 2.56 вольт. Честно говоря, качество этого источника мне сильно не понравилось.

Выбор режима запуска преобразования.

В регистре SFIOR под АЦП отведено аж три бита. ADTS2..0 которые управляют режимами запуска АЦП.

По умолчанию ADTS2..0 = 000 и это значит, что преобразование идет в непрерывном режиме или по ручному запуску.

ADTS2..0 = 001 - запуск АЦП от аналогового компаратора. Удобно. Например, чтобы не замерять постоянно входную величину, а запрограммировать компаратор на то, что как только у него вылезет что-либо выше порога, так тут же захватывать это на АЦП.

ADTS2..0 = 010 - запуск от внешнего прерывания INT0

ADTS2..0 = 011 - по совпадению таймера T0

ADTS2..0 = 100 - по переполнению таймера Т0

ADTS2..0 = 101 - по совпадению с таймера Т1

ADTS2..0 = 110 - По переполнению таймера Т1

ADTS2..0 = 111 - По событию «захват» таймера Т1

Естественно у АЦП есть прерывания. В данном случае это прерывание по окончанию преобразования. Его можно разрешить битом ADIE, можно и вручную по флагу ADIF (регистр ADCSRA). Флаг ADIF автоматом снимается при уходе на вектор прерывания по АЦП.

Кстати для того что бы начать работу с АЦП у МК есть такой регистр, который называется ADCSR. Вот что в нем находится:

0-й бит ADPS0 Выбор частоты прерывания;

1-й бит ADPS1 Выбор частоты прерывания;

2-й бит ADPS2 Выбор частоты прерывания;

3-й бит ADIЕ Разрешение прерывания;

4-й бит ADIF Флаге прерывания;

5-й бит ADFR Выбор работы АЦП. 1-непрерывный 0-по запуску ADSC;

6-й бит ADSC Запуск преобразование 1-старт. После преобразования сбрасывается в ноль аппаратно;

7-й бит ADEN Разрешение работы АЦП 1-да 0-нет.

Данные с АЦП сваливаются в регистровую пару ADCH:ADCL откуда их можно забрать. Причем тут есть один момент. Регистровая пара 16-ти разрядная, а АЦП имеет разрядность 10 бит. В итоге, лишь один регистр занят полностью, а второй занимает лишь оставшиеся два бита. Так вот, выравнивание может быть как по правому краю - старшие два бита в ADCH, а младшие в ADCL, либо по левому - старшие биты в ADCH, а два младших бита в ADCL.

[x] [x] [x] [x] [x] [x] [9] [8]: [7] [6] [5] [4] [3] [2] [1] [0]

или

[9] [8] [7] [6] [5] [4] [3] [2]: [1] [0] [x] [x] [x] [x] [x] [x]

Это сделано для возможности выборки разрядности организованной так оригинально.

Разработка программы

Используемый микроконтроллер, как и все современные программируется на языке C++, так же возможно использование ассемблерных вставок в программе.

Итак, для написания любой программы нужна блок-схема, которая представлена в приложений В на рисунке В.1.

Основа языка программирования это язык C++ с диалектом Processing/Wiring. Это тот же С/С++, но дополненный рядом простых в использовании библиотек для решения типичных задач ввода-вывода.

С++ это структурный язык программирования высокого уровня, что обуславливает структурную технологию программирования. Это означает что в основе лежит представление программы в виде иерархической структуры блоков и разработка программы ведётся пошагово, методом «сверху вниз».

Так же программа представляет собой структуру, построенную из трёх типов базовых конструкций:

- последовательное исполнение - однократное выполнение операций в том порядке, в котором они записаны в тексте программы;

- ветвление - однократное выполнение одной из двух или более операций, в зависимости от выполнения некоторого заданного условия;

- цикл - многократное исполнение одной и той же операции до тех пор, пока выполняется некоторое заданное условие.

Программное обеспечение имеет возможность расширения и открытый исходный текст. Файлы кода могут быть стандартными без расширения, файлами С (расширение *.с), файлами С++ (*.срр) или головными файлами (.h).

Назначение программы:

- инициализация АЦП и чтение аналоговых сигналов с нескольких портов;

- передача данных в устройство передачи

- преобразование в читаемый вид

- взаимодействие передачи данных между датчики и модулями беспроводной связи

В составе программы были использованы:

- переменные типа integer;

- набор функций Serial, служащий для связи устройства с компьютером и другими устройствами поддерживающими последовательный интерфейс обмена данными;

- Serial.begin() - Инициирует последовательное соединение и задает скорость передачи данных в бит/c (бод). Для обмена данными с компьютером используйте следующие значения: 300, 1200, 2400, 4800, 9600, 14400, 19200, 28800, 38400, 57600 или 115200, в нашем случае стандартные 9600;

- функция pinMode - установка режима работы заданного вход / выхода(pin) как входа или как выхода;

- ключевое слово void - используется при объявлении функций, если функция не возвращает никакого значение при ее вызове (в некоторых языках программирования такие функции называют процедурами);

- функция setup - вызывается, когда стартует программа, используется для инициализации переменных, определения режимов работы выводов, запуска используемых библиотек и т.д. Функция setup запускает только один раз, после каждой подачи питания или сброса платы;

- функция Loop - после вызова функции setup, которая инициализирует и устанавливает первоначальные значения, функция loop делает то, что означает её название, и крутится в цикле, позволяя программе совершать вычисления и реагировать на них, используется для активного управления платой.

Немного о взаимодействий модуля с аппаратными и программными средствами.

Все микроконтроллеры AVR имеют хотя бы один последовательный порт (UART, иногда называют USART). МК обладает несколькими способами общения с другими устройствами. Платформа позволяет установить последовательное (Serial UART TTL) соединение через контакты 0 (RX) и 1 (TX). Установленный на платформе чип ATmega8U2 транслирует это соединение через USB: на компьютере становится доступен виртуальный COM-порт. Программная часть включает утилиту, которая позволяет обмениваться текстовыми сообщениями по этому ка-налу. Отдельная библиотека позволяет организовать последовательное соединение с использованием любых других контактов, не ограничиваясь штатными 0-м и 1-м. Важно учитывать, что использовав функции Serial, нельзя одновременно с этим использовать порты 0 и 1 для других целей.

Теперь можно приступить к инициализаций АЦП.

Приведу кусочек кода, который будет сохранен во встраиваемую библиотеку среды разработки. Библиотека инициализаций АЦП будет задействована в программе. Найти этот код можно в приложений Г.

На основе вышеизложенного материала, а так же блок схемы было написана основная программа. Код представлен в приложений Д.

Таким образом, использование встроенного АЦП дает возможность беспроблемной синхронизаций датчиков и микроконтроллера. АЦП микроконтроллера имеет ряд характеристик: разрешающую способность, абсолютную точность, предельную частоту дискретизации и диапазон входных напряжений, которые позволяют в полное мере достичь поставленной цели.

2.3 Совместимость оборудования и интерфейсы

Один из наиболее важных шагов, который следует предпринять до запуска программы на микроконтроллере, состоит в том, чтобы убедиться в их совместимости с продуктами семейства передатчиков.

Для этого в обоих модулях применяется интерфейс UART (Universal asyn-chronous receiver/transmitter) или, по-русски, УАПП (универсальный асинхронный приемопередатчик) - старейший и самый распространенный на сегодняшний день физический протокол передачи данных.

Почти каждый микроконтроллер имеет на борту универсальный последовательный интерфейс - UART. AVR тут не исключение и поддерживает этот протокол в полном объеме полностью аппаратно. По структуре это обычный асинхронный последовательный протокол, то есть передающая сторона по очереди выдает в линию 0 и 1, а принимающая отслеживает их и запоминает. Синхронизация идет по времени - приемник и передатчик заранее договариваются о том на какой частоте будет идти обмен. Это очень важный момент! Если скорость передатчика и приемника не будут совпадать, то передачи может не быть вообще, либо будут считаны не те данные.

Для связи по этой протоколу используются основные рабочие линий RXD и TXD, или просто RX и TX. Передающая линия - TXD (Transmitted Data), а порт RXD (Received Data) - принимающая. Эти линии встречаются и у СОМ-порта задействованные при передаче без аппаратного управления потоком данных. Выход передатчика TX соединен с входом приемника RX и наоборот как показано на рисунке 2.11.

Рисунок 2.11 - Соединение выводов TX-RX

Что касается скорости работы существуют номинальные скорости работы: 9600, 28800, 33600, 56000 и т.п. Т.е. если скорость нас 9600 бит в секунду, то это означает, что передача одного бита будет занимать 1/9600 секунды, а пересылка байта - 11/9600. И такая скорость для байта верна только в случае, если стоп-бит будет занимать один бит. В случае, если он занимает два стоп-бита, то передача будет 12/9600. Это связано с тем, что вместе с битами данных передаются еще специальные биты: старт, стоп и бит четности. Линейка скоростей СОМ-порта стандартизирована. Как правило, все устройства работают на трех стандартных скоростях: 9600, 19200, 115200. Но возможны другие варианты, даже использование нестандартных скоростей или скорости, меняющейся во времени. Так же по этому интерфейсу микроконтроллер связывается с компьютером, для передачи данных. Важно учесть, что в наших устройствах этот интерфейс один и подключить два устройства к одному не получится. Многие реализации UART имеют возможность автоматически контролировать целостность данных методом контроля битовой чётности. Когда эта функция включена, последний бит данных в минимальной посылке («бит чётности») контролируется логикой UART и содержит информацию о чётности количества единичных бит в этой минимальной посылке.