Aparatele de măsurare /analiză cu microprocesoare au performanţe superioare şi pot fi uşor integrate în sisteme de automatizare de înalt nivel tehnic.

Capitolul 3

APARATE DE MĂSURARE DOTATE CU MICROMPROCESOR

3.1. Caracterizare generală Una din cele mai importante trăsături ale aparatelor de măsurare numerice,

îndeosebi a celor ce au apărut relativ recent, o constituie existenţa în structura lor a unuia sau a mai multor microprocesoare şi echipamente periferice, care alcătuiesc un microsistem dedicat. Folosirea unor astfel de microsisteme a făcut posibilă realizarea de aparate şi sisteme de măsurare programabile.

În principiu integrarea unui microprcesor în structura unui aparat de măsurare sau de analiză chimică nu schimbă funcţia/funcţiile metrologice ale acestuia, ci le îmbunătăţeşte. Astfel, un debitmetru cu microprocessor este tot un debitmetru, dar cu performanţe mai bune decât unul clasic fără microprocesor şi în plus poate fi conectat în structura unui sistem de automatizare condus cu calculatoare numerice. De asemenea, un spectrometru de masă modern cu microprocesor/calculator este tot un spectometru de masă ca şi cel clasic, dar care oferă rezultatul analizei în numai câteva secunde sau minute faţă de cel clasic de la care rezultatul se obţine după câteva ore.

Cele mai uzuale aparate de măsurare/analiză sunt compensatoarele electronice, punţile de măsurare, aparatura de măsurare a mărimilor temporale de tipul numărătoarelor de impulsuri şi în general orice aparat la care măsurarea se face exclusiv cu ajutorul circuitelor electronice sau/şi optoelectronice. Aparatura de măsurare electromagnetică „clasică” cu rotor şi ac indicator în faţa scalei nu are perspective de integrare directă în sistemele moderne de automatizare.

Un aparat/sistem de măsurare cu microprocesor poate fi folosit pentru măsurarea uneia sau mai multor mărimi şi poate fi programat să execute numeroase operaţii logice, aritmetice, statistice asupra mărimilor măsurate, precum şi pentru a realiza operaţii auxiliare, vizând coordonarea şi automatizarea funcţionării elementelor componente ale acestuia.

3.2. Funcţii executabile de către microprocesor Un sistem cu microprocesor programabil poate realiza una sau mai multe din

următoarele funcţii/operaţii : Prelucrarea semnalelor primare primite de la senzori/traductoare pentru a

determina rezultatul măsurării prin operaţii ca: înmulţirea/împărţirea cu anumite constante sau variabile, sau calcule de valori medii, compararea cu anumite valori limită sau de referinţă/etalon, liniarizarea caracteristicilor statice ale traductoarelor, evaluarea şi corecţia erorilor de măsurare, evaluarea unor mărimi statistice, conversia unor mărimi/semnale interne ş.a;

1

Executarea funcţiilor de comandă internă a părţilor componente ale aparatelor de măsurare şi anume: comanda blocului de condiţionare a semnalelor primite de la traductoare, comanda conversiei numeric-analogice, comanda afişării rezultatului măsurării, calibrarea aparatului, corelarea funcţionării elementelor componente ale aparatului ş.a.

Comunicaţia cu alte echipamente componente ale sistemului cu care este integrat aparatul de măsurare;

Autotestarea şi diagnosticarea eventualelor componente defecte ale sistemului de măsurare ş.a.

Efectele cele mai semnificative ale folosirii acestor aparate sunt următoarele : Marirea vitezei , preciziei şi reproductibilitatii măsurărilor; Mărirea gradului de automatizare a măsurărilor şi lărgirea posibilităţilor de

reconfigurare a structurii sistemelor în funcţie de aplicaţie; Reducerea volumului, a greutăţii şi a numărului de componente ale

echipamentelor de măsurare prin folosirea echipamentelor electronice sub forma de circuite integrate la scară largă, caracterizate prin dimensiuni şi consumuri de energie foarte mici, dar cu performanţe superioare;

Raport performanţă/preţ net superior faţă de aparatura clasică; Facilizarea comunicaţiei cu elementele unui sistem de conducere cu

calculatoare într-o structură complexă, ierarhizată şi distribuită; Furnizarea rezultatului măsurarii într-o formă atractivă, nu numai prin numere,

ci şi prin mesaje explicative în limbajul utilizatorului sau sub formă de documente fiscale în tranzacţii comerciale ş.a.

3.3. Structuri de am dotate cu microprocesor 3.3.1. Structura unui dispozitiv de comandă cu microprocesor Presupunând că cititorul posedă suficiente cunoştinţe despre structurile şi funcţiile

microprocesoarelor în fig. 3.3.1 este prezentată structura unui dispozitiv de comandă, DCM, cu microprocesor. Acesta este alcătuit dintr-un microprocesor, MP, conectabil cu anumite module prin intermediul unei magistrale de comunicaţie, MC, şi al unor echipamente de interfaţă, EI.

Fig. 3.3.1. Schema bloc a unui DCM cu microprocesor

2

MP

ROM RAM EICE EICM EICEME

EPU

MC

MA

MD

Magistrala de comunicaţie este alcătuită din trei tipuri de magistrale: magistrala de date MD; magistrala de adrese, MA şi magistrala de comenzi MC. Acestea pot fi realizate distinct sau pot fi unite într-o singură entitate.

Cele mai importante module/echipamente conectabile la DCM sunt următoarele : Module de memorie ROM sau EPROM în care se memorează pe termen lung

programe şi date de referinţă specifice aplicaţiei ; Module de memorie RAM în care se depozitează pe termen scurt date operative

ale aplicaţiei; Echipamentele periferice interactive ale utilizatorului, EPU, care sunt conectate la

microprocesor prin intermediul unor echipamente de interfaţă specifice, EIPU. Cele mai importante şi uzuale sunt : tastatura, displaiul cu LEDuri, cu LCDuri sau cu tub catodic, plotere ş.a.

Echipamente de interfaţă pentru comunicaţia cu alte aparate/sisteme externe, EICE;

Dispozitive/circuite de comandă a componentelor interne ale aparatelor de măsurare, DCI. Prin aceste componente se realizează operaţiile de măsurare pe baza unui algoritm/procedură stabilită prin programul de aplicaţie, memorat în ROM sau EPROM. Comanda acestor componente se face direct sau prin intermediul unor codificatoare , al unor elemente de execuţie şi/sau selecţie.

Configuraţia concreta şi detaliată pentru un anumit tip de aparat de măsurare se stabileşte în funcţie de specificul aparatului, dar şi de disponibilităţile oferite de piaţa de produse electronice.

3.3.2. Structuri de AM cu microprocesor Există numeroase moduri de a realiza funcţiile şi efectele enumerate mai înainte. În

fig. 3.3.2. prezentăm structura simplificată a unui aparat pentru măsurarea unei singure mărimi.

BCS CAN BDAN

PCT EIU MB EIAP

MM

ME

DCM

T

Fig.3.3.2 Pe lângă componentele cu funcţie de bază precum: traductorul mărimii măsurate, T,

blocul de condiţionare a semnalului dat de traductor, BCS, convertorul analog-numeric, CAN şi blocul de decodificare şi afişare numerică, BDAZ, aparatul mai conţine şi componente specifice tehnicii de calcul numeric programabile, incorporate într-un dispozitiv de comandă şi control DCM, dotat cu microprocesor MP.

Comunicaţia dintre microprocesor şi celelalte componente ale AM se realizează prin intermediul magistralei interne MI.

3

Pentru a îndeplini funcţiile de comandă şi control DCM, are în structura sa un panou de comandă cu tastatură, PCT, echipamente de interfaţă între MP şi PCT, precum şi echipamente de interfaţă, cu alte echipamente programabile, EIAP, conectate la magistrala externă ME.

În această structură microprocesorul este cel mai important element al DCM, deoarece el îndeplineşte rolul de coordonator şi de participant la cvazitotalitatea aparatelor legate de prelucrarea semnalelor de la traductor, de conversia analog-numerică şi de transferul de date în interiorul aparatului, inclusiv vizualizarea rezultatului măsurării, precum şi de transferul de date dintre aparat şi alte aparate cu care acesta este conectat prin ME. Toate aceste operaţii sunt executate în conformitate cu programul resident în memorie DCM.

3.3.3. Structura unui multimetru monoprocesor În fig.3.3.3. se prezintă, ca exemplu, structura unui multimetru monoprocesor cu

care se poate măsura tensiunea continuă UX, tensiunea alternativă ŨX, curentul electric IX şi rezistenţa electrică RX.

d–da

ag

Fig.3.3.3. Schema bloc a unui multimetru cu microprocesor Partea de echipamente analogice cuprinde cinci blocuri după cum urmează: blocul

e adaptare a tensiunii continue, BATC, blocul de conversie şi adaptare tensiune alternativă tensiune continuă, BCTA, blocul de conversie şi adaptare curent-tensiune, BCCT, blocul e conversie şi adaptare rezistenţă-tensiune, BCRT, blocul de filtrare BF şi convertorul nalog-numeric CAN.

Aceste blocuri comunică cu CAN şi cu microprocesorul printr-o magistrală nalogică MA precum şi prin două magistrale numerice MN1 şi MN2 şi care sunt izolate alvanic printr-un optocuplor OC.

POT MM MP DDAN ICEME

MN2

BA

TCU

xU U

BC

TATC

xU~

xU~Ux

UB

CC

Tx

I

IxU

BA

TCx

RxR

MA

BF

CA

N

4

Partea de echipamente numerice are în componenţa sa: dispozitivul de comandă cu microprocesor, DCM, panoul/pupitrul operatorului cu tastatură, POT, dispozitivul de decodificare şi afişare numerică, DDAN, modulul de memorie MM şi o interfaţă de comunicaţie cu alte aparate, conectate la o magistrală numerică externă ME, notată cu ICE.

Comunicaţia între microprocesor şi echipamentele numerice se face prin intermediul magistralei MN2.

În funcţie de sarcinile de îndeplinit, de volumul şi de complexitatea prelucrării datelor, precum şi de rapiditatea cu care se doreşte a fi efectuate toate aceste operaţii, DCM poate fi echipat cu un singur microprocesor sau cu mai multe, prin urmare structurile programabile pot fi mono sau multiprocesor.

În cadrul fiecărui bloc/dispozitiv component al aparatelor de măsurare există elemente/circuite/dispozitive de execuţie a comenzilor emise de microprocesor şi expediate prin magistrala de comenzi precum şi elemente de comunicaţie cu microprocesorul astfel încât să se poată realiza o buclă închisă prin microprocesor, de exemplu între CAN şi microprocesor, între PCT şi microprocesor ş.a.m.d.

3.3.4. Structura unui multimetru biprocesor Într-o structură bi sau multiprocesor sarcinile microprocesoarelor se repartizează pe

două sau mai multe nivele ierarhice sau se distribuie pe diverse echipamente de la acelaşi nivel ierarhic.

În fig.3.3.4. se prezintă o structură biprocesor cu sarcini repartizate la două nivele: nivelul ierarhic inferior, asociat operaţiilor ce au loc în echipamentele de tip

analogic, inclusiv conversia analog-numerică; nivelul superior, asociat operaţiilor de prelucrare a datelor de la nivelul inferior

şi de comunicaţie cu utilizatorul uman şi cu alte aparate.

Fig. 3.3.4. Schema bloc a unui AM cu două microprocesoare

5

BCA BSC CAN MP1X1

2XXn

MN1

CMI

CME

BSDA

ME

DAIMPPCT 2

DCM de la nivelul inferior determină conexiunile şi regimul de funcţionare ale

blocului de condiţionare a semnalelor, declanşează ciclurile de conversie analog-numerică şi transferă rezultatele conversiei către DCM de la nivelul superior. Din componenţa acestui DCM, fac parte blocul de conversie şi adaptare BCA, blocul de selecţie a canalului de intrare BSC, convertorul analog-numeric CAN şi microprocesorul MP1.

DCM de la nivelul superior recepţionează datele de la DCM inferior, efectuează calculele necesare pentru a determina rezultatul final al măsurării şi transferă acest rezultat către dispozitivul de afişare şi/sau către alt destinatar. De asemenea la acest nivel sau chiar şi la nivelul inferior poate fi realizată şi funcţia de semnalizare a evenimentelor deosebite legate de măsurare cum ar fi depăşirea unor limite admise, defecţiuni ale blocurilor componente şi altele. Aceasta funcţie poate fi realizată de un bloc de semnalizare optică şi acustică, BSOA, sau de către microprocesor prin program şi prin perifericele acestuia.

DCM de la nivelul superior are în componenţa sa microprocesorul MP2, panoul de comanda (operare) cu tastatură, PCT, modulul de memorie, MM, dispozitivul de afişare/înregistrare a rezultatului măsurării DAÎ, blocul de semnalizare optică şi acustică, BSOA, şi altele.

În acest sistem, magistrala de comunicaţie internă MN2, este conectată cu magistrala internă MN1 prin intermediul cuplorului de magistrală, CMI, precum şi cu magistrala externă ME, prin intermediul cuplorului, CME.

Principalele secvenţe în funcţionarea unui astfel de aparat sunt descrise în organigrama din fig.3.3.5. Microprocesorul principal Microprocesorul secundar

DA DA

Citeşte contextul tastaturii şi interfeţei cu magistrala externă

Decodifică informaţia transmisă de la microprocesorul principal

Poziţionează comutatoarele de intrări şi de calibrare

Transferă contextul către microprocesorul secundar

Execută operaţiile preliminare măsurării

Transferă rezultatul conversiei către microprocesorul principal

Recepţionează datele de la microprocesorul secundar

Execută operaţiile necesare pt. determinarea rezultatului final

Evaluează funcţia Se cere o funcţie matematică?

S-a produs un eveniment deosebit ?

Execută conversia analog-numerică a mărimii selectate

Semnalizeaza evenimentul 6

Se cere o comunicaţie cu ME

DA ?

Efectuează comunicaţia

Afişează/înregistrează rezultatul final

Fig.3.3.5. Principalele secvenţe de funcţionare a unui AM cu două microprocesoare

O structură asemănătoare au şi aparatele de măsurare multivariabile, adică

multimetrele şi aparatele pentru măsurări indirecte, la care mărimea măsurată se determină pe baza mai multor mărimi de care aceasta este dependentă (vezi fig. 3.1.2.).

Fig. 3.1.2

În acest caz pe lângă elementele din fig. 3.1.1. aparatul de măsurare are în structura

sa un bloc de traductoare BT, un bloc de condiţionare semnale BCA, un selector de canale analogice SCB (multiplexor ş.a), precum şi un bloc de semnalizare optică şi/sau acustică a evenimentelor deosebite, legate de măsurare (defecţiuni, depăşiri de limite etc.), BSOA,.

În loc de selector de canale analogice se poate adopta şi varianta cu CAN pe fiecare canal şi selector (multiplexorizare canale numerice).

3.1.3. Structura unui DCM 3.1.4. Programarea unui DCM Programarea DCM se poate face într-un limbaj de asamblare sau într-un limbaj

evoluat, de nivel mai înalt. Orice limbaj de asamblare este specific tipului de microprocesor pentru care a fost creat şi este foarte eficient în raport cu utilizatorii microprocesorului.

Fiecare instrucţiune formulată în limbaj de asamblare are ca element de bază o mnemonică ce sugerează natura operaţiei de executat. Pentru a putea fi executat programul sursă trebuie translatat în limbaj maşină cu ajutorul unui program de conversie, denumit asamblor. Această operaţie se realizează automat o singură dată înainte de punerea în funcţiune a microsistemului, iar programul translatat rămâne în memoria ROM sau EPROM a acestuia.

În aplicaţii care necesită programe ample cu sute de instrucţiuni programarea în limbaj de asamblare devine laborioasă şi greu de folosit. Pentru a evita acest neajuns se recurge la folosirea unui limbaj de nivel superior: BASIC, FORTRAN ş.a. Un astfel de limbaj permite o exprimare algoritmică mai convenabilă pentru programator şi utilizator. Instrucţiunile formulate de aceste limbaje sunt mai apropiate de limbajul natural al programatorului şi se traduce, de regulă, prin mai multe instrucţiuni în cod maşină.

7

Ca să poată fi executat programul formulat în limbajul evoluat trebuie tradus într-un program în cod maşină. Traducerea se face automat cu ajutorul unui program denumit compilator.

3.2.1.1. Comanda blocurilor de condiţionare a semnalelor analogice Cele mai importante echipamente de condiţionare sunt atenuatoarele şi

amplificatoarele programabile, filtrele analogice şi numerice ş.a. Pentru selecţia şi comutarea canalelor se folosesc relee şi comutatoare cu TEC precum şi perechi de multiplexoare-demultiplexoare, decodificatoare ş.a. Toate acestea pot fi comandate numeric de către microprocesoare.

Atenuatoare comandate numeric În fig. 3.2.1 se prezintă un atenuator cu factor de atenuare comandabil de către

microprocesor. Acesta este în esenţă un convertor numeric-analogic, alcătuit dintr-o reţea R-2R inversată şi dintr-un amplificator diferenţial la care în locul unei tensiuni de referinţă se aplică tensiunea de intrare, Ui.

Un astfel de atenuator furnizează la ieşire o tensiune Ue, dată de relaţia :

ine UNU2

−= (3.2.1.)

Unde N este codul binar al curentului de comandă dat de microprocesor, iar bi (i=0,1……n-1) sunt biţii cuvântului de comandă. De observat că cel mai semnificativ bit este bitul b0, iar cel mai puţin semnificativ este bitul n.

Deoarece N ≤ 2n rezultă că ⎢ue ⎢< ⎢ui ⎢.

Fig.3.2.1. Amplificator comandat numeric În fig. 3.2.2. este prezentat un amplificator programabil, alcătuit dintr-un

amplificator diferenţial cu reacţie negativă printr-o reţea R-2R comandată numeric, la care tensiunea de ieşire este :

i

n

e UN

U 2−= (3.2.2.)

Fig. 3.2.2.

Filtre comandate numeric Cu ajutorul convertoarelor numeric analogice se pot realiza filtre comandate

numeric, aşa cum se arată în fig. 3.2.3. La un astfel de filtru raportul dintre tensiunea de ieşire şi cea de intrare este dată de relaţia :

CpNR

RRRR

RUU

i

e

⋅+

+⋅−=

1

211

2

1

1 (3.2.3.)

8

Fig. 3.2.3.

Comutarea canalelor pe care se propagă semnalele active se face prin intermediul

unor multiplexoare la care selecţia canalului activ se face printr-un cuvânt de selecţie emis de către microprocesor.

3.2.1.2. Comanda convertoarelor analog-numerice Microprocesoarele pot comanda toata secvenţa operaţiilor de conversie analog-

numerică, dar este recomandabil ca acesta să fie realizată de convertor, eventual dotat şi el cu un microprocesor propriu. De aceea în cele mai multe cazuri rolul microprocesorului sistemului de măsurare se reduce la comanda declanşării şi încheierii operaţiei de conversie.

Comanda CAN rapide Dacă se folosesc convertoare de tip paralel, care realizează conversia foarte rapid

într-un timp de numai câteva cicluri maşină ale microprocesorului, se poate adopta soluţia declanşării conversiei urmată de comanda transferului rezultatului conversiei într-un regim tampon sau direct pe magistrala de date a microprocesorului.

În fig. 3.2.4 se prezintă comanda unui CAN rapid, care după declanşarea conversiei prin instrucţiunea START aşteaptă un timp scurt prestabilit, în care are loc conversia după care la expirarea timpului, printr-o instrucţiune de TRANSFER, microsistemul transferă rezultatul conversiei în modul programat. În intervalul de timp prestabilit microprocesorul aşteaptă sau execută câteva instrucţiuni importante.

Fig.3.2.4.

În fig.3.2.5. se prezintă un sistem de comandă al unui CAN relativ lent, la care

timpul de aşteptare până la sfârşitul conversiei, nu este prestabilit, ci este stabilit de însăşi CAN. În acest scop CAN generează un semnal BUSY, care pe timpul conversiei primeşte valoarea logică 0, iar după sfârşitul acesteia primeşte valoarea logică 1. Acest semnal este aplicat la intrarea READY a microsistemului şi în momentul când primeşte valoarea logică 1 declanşează transferul. În acest fel microprocesorul aşteaptă numai cât este necesar.

Comanda CAN lente În cazul comenzii unor blocuri numerice lente, inclusiv CAN lente, nu este indicat

ca microprocesorul să stea în aşteptare un timp îndelungat. În acest caz se poate recurge la una din următoarele soluţii :

Interogarea periodică a blocurilor pentru a constata dacă şi-au îndeplinit sarcina şi sunt pregătite să transfere rezultatul ;

Folosirea unui sistem de întreruperi care să gestioneze timpul de servire al microprocesorului.

Soluţia integrării periodice. Pentru aplicarea acestei soluţii este necesar ca blocul în cauză să dispună de un dispozitiv, care să genereze un semnal ca fanion de stare. Acest semnal primeşte valoarea logică 1 în momentul îndeplinirii sarcinii când poate realiza

9

transferul şi se menţine pe semnalul logic 0 în caz contrar. Integrarea se referă tocmai la starea acestui semnal fanion, numit fanion de stare – vezi fig.3.2.6.

Fig.3.2.6. Folosirea sistemului de întreruperi. Pentru a evita aşteptările îndelungate legate de

efectuarea operaţiilor de către blocurile componente ale unui sistem (bloc de testare, conversie etc.) se recurge la efectuarea operaţiilor de intrare-ieşire ale microprocesorului prin sistemul de întreruperi. Aceasta este o tehnică mai sofisticată, dar este mai eficientă, mai ales dacă la microsistem sunt conectate mai multe blocuri lente.

Dacă, de exemplu, este necesară conversia analog-numerică şi expedierea rezultatului conversiei dintr-un CAN, microprocesorul lansează comanda de începere a conversiei printr-o instrucţiune adecvată, activează sistemul de întreruperi şi îşi continuă execuţia programului său fără a se aştepta sfârşitul conversiei.

Pentru a marca sfârşitul conversiei CNA dispune de un semnal (BUSY) generat de un bistabil, care pe durata conversiei este pus pe nivelul 0 iar după sfârşitul conversiei este pus pe 1 logic.

Când CAN a terminat conversia acesta lansează cererea de întrerupere către microprocesor prin semnal BUSY=1. Microsistemul analizează toate cererile de întrerupere/servire dacă există mai multe asemenea cereri şi o acceptă pe cea cu prioritatea cea mai înaltă şi începe execuţia unui subprogram de servire a cererii acceptate.

Schema de conexiuni şi organigrama procedurii de servire a cererii de întrerupere sunt prezentate în fig.3.2.7.

Fig.3.2.7. După salvarea în stivă a conţinutului registrelor operative se invalidează sistemul de

întreruperi şi ca urmare orice altă cerere de întrerupere va fi ignorată până la o nouă validare a sistemului de întreruperi. Prin subprogramul de servire datele din CAN sunt transferate într-un registru tampon sau pe magistrala de date a microsistemului.

După terminarea subprogramului de servire se reactivează sistemul de întreruperi, se restaurează conţinutul registrelor operative după care se reia execuţia programului principal din locul de unde a fost întrerupt.

În mod similar se realizează şi comanda altor blocuri componente ale unui sistem de măsurare.

3.2.1.3. Comanda comunicaţiei între blocuri Comunicaţia dintre blocurile componente ale unui sistem de măsurare este

coordonată de către un microprocesor care alocă resursele de comunicaţie în acest scop sau chiar participă la comunicaţie primind şi expediind date.

Sub aspect topologic canalele interne de comunicaţie între blocuri sunt de tipul fiecare la fiecare sau de tipul magistrală. Canalele de tip magistrală sunt mai ieftine, cu mai puţine conexiuni şi uşor extensibile de aceea sunt de preferat pentru comunicaţii multicanal.

În afară de conceptul de magistrală numerică acceptat şi larg folosit în tehnica de calcul numeric în tehnica măsurării se acceptă şi conceptul de magistrală analogică prin care

10

se transmit semnale analogice. O astfel de magistrală poate folosi masa ca unul din conductori paragrafând celălalt conductor sau poate folosi doi conductori distincţi de masă pentru transmiterea semnalelor diferenţiale.

Accesul (intrarea) pe magistrala analogică precum şi ieşirea de pe ea se realizează prin procedeul multiplexare-demultiplexare în timp cu ajutorul unor comutatoare de tip releu sau TEC, aşa cum se sugerează în fig. 3.2.8.

Întrucât într-un sistem de măsurare se vehiculează atât date alocate de tip numeric cât şi date de tip analogic rezultă că pot fi folosite ambele tipuri de magistrale.

Comunicaţia prin magistrale numerice se realizează de obicei între blocuri cu intrare sau ieşire numerică şi microprocesor.

Fig.3.2.8.

În fig.3.2.8. este prezentată schema unui sistem de comunicaţie a datelor pe o

magistrală de tip analogic cu patru canale diferenţiale. Prin intermediul unor decodificatoare selectoare de canal microprocesorul lansează

semnale de selecţie (formare) a unui canal care să facă legătura între oricare dintre intrările în MUX cu oricare din ieşirile din DMUX se face pe baza comenzilor de selecţie emise de microprocesor.

3.2.1.4.Comunicaţia cu utilizatorul Numărul relativ mare de funcţii ale unor aparate de măsurare şi versatilitatea

acestora au ca efect înmulţirea elementelor manevrabile de pe panoul de comandă al acestora. O alternativă eficientă la această situaţie o constituie înlocuirea panoului clasic alcătuit din comutatoare, butoane ş.a. cu o tastatură alfanumerică prin care utilizatorul să introducă comenzile dorite şi în folosirea unui afişaj interactiv care să vizualizeze atât comenzile date, cât şi rezultatele/răspunsul la aceste comenzi.

Tastatura alfanumerică. În fig.3.2.9. este prezentată o tastatură cu 8x8=64 taste. Prin apăsarea pe una din taste se interconectează o linie de scrutare xi cu o linie de ieşire yj. În funcţie de liniile ij interconectate codificatorul tastaturii generează codul tastei acţionate pe baza unui tabel de codificare, depus într-o memorie ROM. Codul transmis microsistemului are ca efect executarea comenzii asociate tastei acţionate.

Fig.3.2.9. Eliminarea posibilităţii prelucrării repetate a aceleiaşi comenzi se asigură prin

program. Programul de încercare a comenzii este astfel conceput încât să nu ia în considerare două coduri la intervale de timp mai mici de câteva milisecunde.

Conectarea tastaturii la microsistem se poate face şi direct, fără intermedierea codificatorului, dar în acest caz selectarea şi identificarea tastei acţionate urmează să se facă prin program de către microsistem.

3.2.1.5.Afişajul cu leduri şi cu cristale lichide Cel mai simplu şi cel mai uzual este afişajul alcătuit din 4÷8 cifre zecimale, care se

pot forma cu ajutorul a şapte sau opt segmente de LED-uri.

11

Afişajul static. Afişajul static este soluţia cea mai simplă de afişare. Aceasta presupune că microsistemul dispune de o zona de memorare specială sau de un registru tampon de o lungime suficient de mare care să conţină toată informaţia de afişat. Împrospătarea conţinutului acestei memorii ca şi transferul acestuia către dispozitivul de afişare este comandat de către microprocesor.

Dacă memorarea s-a făcut în cod de reprezentare (cu fragmente) afişarea se realizează direct fără decodificator. Dacă memorarea s-a făcut într-un cod numeric ASCII sau EBCDIC dispozitivul de afişare trebuie să realizeze decodificarea în cod de reprezentare prin urmare el trebuie dotat cu decodificator cod binar-şapte segmente pentru fiecare rang zecimal.

Afişajul dinamic. O altă soluţie de afişare este afişarea dinamică a datelor cu o frecvenţă mai mare de 16Hz printr-un baleiaj rapid al zonei în care sunt memorate datele/mesajele de afişat, acest baleiaj fiind comandat de microprocesor – fig.3.2.10.

Fig.3.2.10. Pentru a reduce numărul de circuite de comandă a segmentelor ce formează o

cifră/simbol, cifrele sunt activate dinamic, câte una prin rotaţie, cu o frecvenţă mai înaltă. Cifrele de afişat au catozii asociaţi aceloraşi segmente legaţi la o linie a magistralei de date a microsistemului iar anozii sunt conectaţi la câte o ieşire a decodificatorului/comutatorului.

Comutarea afişării de la un rang la altul se face cu frecvenţa de ~1khz a oscilatorului, ceea ce face ca numărătorul de impulsuri să-şi modifice ieşirea lui pe trei ranguri binare la fiecare perioadă T=1/1000s. În acest fel, pentru fiecare valoare a curentului Q2Q1Q0 din cele opt posibile, comutatorul(decodificatorul) pune pe nivelul 1 câte o ieşire, ceea ce înseamnă activarea periodică a câte unei cifre zecimale.

În acelaşi timp impulsurile generate de oscilator comandă prin procedeul accesului direct la memorie citirea/extragerea codului cifrei care se afişează prin cele 7-8 segmente de LED-uri.

Datele ce urmează a fi extrase sunt depuse într-o zonă a memoriei RAM la adrese având ultimii trei biţi mai puţin semnificativi tocmai biţii Q2Q1Q0 de la ieşirea numărătorului. În acest fel se asigură baleierea sincronă a zonei speciale de memorii şi afişarea periodică a conţinutului acesteia.

Afişajul pe tub catodic. Dacă se cere afişarea simultană a mai multor caractere de tipuri diferite(cifre, litere, etc.) afişarea cu LED-uri devine ineficientă deoarece pentru conturarea caracterelor este nevoie de un mare număr de segmente sau puncte comandate. În general pentru conturarea fidelă a oricărui tip de caractere s-ar cere o matrice de cel puţin 7x5=35 puncte comandabile. În acest caz este mai convenabilă tehnica utilizată pentru vizualizarea mărimilor pe display cu tub catodic sau pe o matrice bidimensională de pixeli din cristale lichide.

Înainte de a fi afişate datele şi mesajele de afişat sunt depozitate într-o zonă rezervată a memoriei RAM a microsistemului, sau a monitorului, de unde sunt baleiate şi afişate.

Dacă volumul de date/mesaje de afişat nu este prea mare în memorie se depozitează imaginea întregului cadru ecran alcătuit din pixeli luminaţi şi din pixeli neluminaţi aşa cum se procedează în cazul monitoarelor TV de uz general. Dacă însă un cadru ecran are un număr mare de pixeli apar probleme legate de volumul de memorare şi de viteza de citire şi afişare fără pâlpâire a imaginii pe ecran.

12

Pentru a face economie de spaţiu de memorare caracterele sunt memorate în RAM nu prin imaginea lor în matricea de pixeli ci sub forma unui octet în cod ASCII sau EBCDIC pentru fiecare caracter. Pentru decodificare în vederea vizualizării pe ecran a caracterului se recurge fie la utilizarea unui generator de caractere fie la utilizarea unui program de decodificare.

În fig.3.2.11. este prezentat conceptul de generator de caractere cu ajutorul căruia pot fi generate 64 de caractere. Intrările D5….D0 preluate de pe magistrala de date, servesc la adresarea oricăruia din cele 64 caractere memorate în ROM, iar intrările Q2Q1Q0, generate de un numărător ciclic cu trei biţi, servesc la baleierea celor opt linii ale matricii pentru a contura caracterul adresat.

Fig.3.2.11. Pentru oricare adresă recepţionată are loc baleierea liniilor matricii, începând cu

prima la care Q2Q1Q0=000 şi pentru care ieşirea este B4B3B2B1B0=00000. Dacă, de exemplu, a fost adresat caracterul E atunci în urma baleierii liniei a doua se obţine 01110, după baleierea liniei a treia se obţine 01000 ş.a.m.d. astfel încât după opt baleieri se obţine conturul caracterului E.

3.2.1.6. Conversia mărimilor în unităţi de masă În memoria sistemelor de calcul/conducere/măsurare mărimile măsurate se exprimă

în unităţi de măsură ale acestora, nu în unităţi de măsură ale semnalului pe care sunt transpuse. De exemplu debitul se măsoară în unităţi de debit, nu în număr de cuante CAN sau unităţi de curent pe care acesta este transpus.

Transformarea (conversia) semnalelor asociate diverselor mărimi de proces (debit, temperatură, presiune etc.) în valori exprimate în unităţi de măsură ale acestora se poate realiza în două moduri :

- Prin intermediul unui modul de conversie, MCUM. - Prin intermediul unui program de calculator. Întrucât orice aparat de măsurare operează în limitele unui domeniu de măsurare

prestabilit pentru început vom opera cu variaţii ale mărimii de măsurare x faţă de valorile limită ale domeniului. Astfel, dacă Xm şi XM reprezintă limita inferioară şi, respectiv limita superioară a domeniului putem defini:

- Variaţia curentă ∆X=X-Xm (3.2.4.) - Variaţia maxima ∆XM=XM-Xm Din motive uşor de înţeles este de dorit ca sistemele de măsurare să aibă o

caracteristică statică liniara, adică variaţia mărimii de ieşire XXXX, exprimată în unităţi de măsură ale acesteia să fie proporţională cu variaţia mărimii de intrare, ∆x, adică :

XX

XM

M ∆∆∆

=∆*

* (3.2.5.)

După proiectarea sistemului de măsurare când caracteristicile statice ale traductorului, a convertorului adaptor şi a CAN sunt cunoscute urmează să se determine şi caracteristica statică a modulului de conversie MCUM. În acest scop se ia în consideraţie, ca exemplu, sistemul din fig.3.1.1 alcătuit din traductorul T, convertorul-adaptor CA, convertorul analog-numeric CAN şi MCUM.

Dacă CA are o caracteristică statică liniară, atunci:

13

IUUU

M

M ∆∆∆

=∆ (3.2.6.)

O astfel de caracteristică se obţine relativ uşor pe baza legii lui Ohm , pe baza

relaţiei U=RI. Caracteristica statică a CAN, deşi nu este continua, ci în trepte foarte fine, poate fi

totuşi modelată printr-o relaţie continuă de forma :

UUNN

M

M ∆∆∆

=∆ (3.2.7.)

În general se folosesc CAN cu 12-16 biţi, deci cu rezoluţii foarte bune. De exemplu un CAN cu 16biţi divizează domeniul unei tensiuni de intrare de 5V în 65536 cuante, ceea ce înseamnă 0,07mV/cuanta, adică erori de conversie mult mai mici decât erorile de măsurare.

În general convertoarele analog numerice au o caracteristică statică liniară. Caracteristicile statice ale traductoarelor pot fi modelate printr-o relaţie liniară sau neliniară de forma :

∆I=f(x) cu f(0)=0 şi f(∆XM)=IM (3.2.8.) O astfel de funcţie continuă îndeplineşte condiţiile pentru a putea fi inversată,

funcţia inversă fiind şi ea o funcţie continuă, adică : ∆X=f -1(∆I) cu f -1(0)=0 si f -1(IM)=XM (3.2.9.)

Din relaţiile 2÷6 prin eliminarea mărimilor intermediare se obţine :

)(1*

* NNIf

XXX

M

M

M

M ∆∆∆

∆∆

=∆ − (3.2.10.)

Această relaţie reprezintă caracteristica statică a MCUM asociat unui sistem ca cel din fig.

Pentru determinarea expresiei concrete a acestei caracteristici se ia în consideraţie funcţia f liniară asociată traductorului :

XXIXfI

M

M ∆∆∆

=∆=∆ )( (3.2.11)

şi funcţia inversă a acesteia f –1:

IIXIfX

M

M ∆∆∆

=∆=∆ − )(1 (3.2.12)

ambele respectînd relaţiile 5 şi 6. În aceste condiţii :

NNXN

NIf

M

M

M

M ∆∆∆

=∆∆∆− )(1 (3.2.13)

iar relaţia 7 devine :

NNXX

M

M ∆∆∆

=∆ * (3.2.14)

Dacă funcţia f asociată traductorului este neliniară, de exemplu este o funcţie pătratică, atunci caracteristica statică a traductorului se modelează cu o relaţie de forma :

22 )(

)()( X

XIXfI

M

M ∆∆∆

=∆=∆ (3.2.15)

iar funcţia inversă, prin relaţia :

14

II

XIfXM

M ∆∆

∆=∆=∆ − )(1 (3.2.16)

ambele îndeplinind condiţiile 5 şi 6. În acest caz

NNI

IXM

NIf

M

M

M

M

M

M ∆∆

∆⋅

∆

∆=∆

∆∆− )(1 (3.2.17)

iar relaţia 7 devine

NN

XX

M

M ∆∆

∆=∆

** (3.2.18)

În mod normal domeniile mărimilor X şi X* sunt aceleaşi, adică prin urmare relaţiile 7 şi 15 devin :

MM XX ∆=∆ *

NNXX

M

M ∆∆∆

=∆ * (3.2.19)

NN

XXM

M ∆∆

∆=∆ * (3.2.20)

Uzual se operează, nu cu variaţii ale mărimilor, ci cu valori curente absolute. Trecerea de la variaţii la mărimi curente se face înlocuind variaţiile din relaţiile 16 şi 17 cu valorile din relaţiile 1.

Se obţine :

mM

mM

mM

mMmm NN

XXNN

NXXXX

−−

+−

−+=

)(* (3.2.21)

mmM

mMm NN

NNXX

XX −−

−+=* (3.2.22)

Iar dacă traductorul are limita minimă egală cu zero( ) relaţiile 18 şi 19 devin mai simple :

0* == mm XX

NNN

XNN

NXX

mM

M

mM

mM

−+

−−=* (3.2.23)

mM

mM NN

NNXX

−−

=* (3.2.24)

3.2.1. Corecţia erorilor de măsurare Erorile de măsurare pot fi evaluate şi compensate în două moduri: - prin folosirea unor dispozitive de compensare automată, integrate în structura de

echipamente a sistemului de măsurare; - prin folosirea unor programe/subprograme de corecţie integrate în structura

programelor de exploatare a sistemelor programabile. Vom arăta modul în care se realizează aceste operaţii în cazul unui voltmetru

numeric a cărui schemă simplificată este prezentată în fig.3.2.12.

Fig.3.2.12. Verificarea şi corecţia erorii de zero. Această operaţie se face înainte de măsurare,

punînd comutatorul K pe poziţia 1, adică la masă şi se consemnează rezultatul ecestei stări

15

N0 afişat de aparat. Acest rezultat se memorează în vederea corecţiei automate a rezultatelor măsurărilor ce vor urma.

Verificarea şi corecţia factorului de transfer. Această operaţie se face cu comutatorul K pe poziţia 2. Se măsoară astfel o tensiune de referinţă UR a cărei valoare se memorează. – vezi fig.3.2.13.

Fig.3.2.13. Să presupunem că A=tgα este coeficientul de transfer ideal al voltmetrului, că

echivalentul numeric al tensiunii UR este NR şi că eroarea de zero este nulă. Dacă în urma măsurării tensiunii UR se obţine un număr N’R ≠ NR rezultă că aparatul şi-a modificat factorul de transfer iniţial şi are acum coeficientul A’=tgα’. Între aceste două mărimi este valabilă relaţia

ktgtg

NN

R

R == '' αα (3.2.25)

Pentru a obţine rezultatul correct NR este necesar ca rezultatul eronat N’R să fie corectat cu factorul k, adică NR = kN’R. O astfel de corecţie urmează să se facă şi în cazul măsurării altor tensiuni decât UR.

Măsurarea propriu-zisă se efectuează cu comutatorul pe poziţia 3 după ce au fost efectuate cele două verificări. Rezultatul corect NX, se determină pe baza rezultatului N’X, obţinut în urma măsurării tensiunii UX din care se adaugă sau se scade eroarea de zero iar diferenţa se multiplică cu factorul k, adică

NX = k(N’x-N0) (3.2.26) Toate aceste operaţii sunt efectuate de către microsistem pe baza unui program

corespunzător. Verificarea şi corecţia de neliniaritate. Pentru depistarea abaterii de la caracteristica

liniară ideală se aleg două puncte reprezentative ale caracteristicii de transfer a aparatului de măsurare. Faţă de o dreaptă care trece prin cele două puncte şi care reprezintă caracteristica liniară ideala pot apare abateri de la liniaritate. Aceste abateri se stabilesc pentru tot domeniul de măsurare şi se memorează sub forma de tabele de corecţie într-o memorie EPROM în cursul operaţiei de calibrare a operatului pe stand în regim “off line”.

La aparatele mai evoluate, determinarea şi memorarea tabelelor de corecţie se face în felul următor: la intrarea aparatului de calibrat se aplică o mărime de intrare etalon reglabilă şi se compară rezultatul obţinut cu rezultatul ideal corespunzător, furnizat de sursa de semnal etalon de înaltă precizie. Prin intermediul interfeţei numerice a operatorului, microsistemul determină abaterile şi corecturile corespunzătoare şi le înscrie într-o memorie EPROM.

Corecţia zonală sau punctuală a caracteristicii de transfer prezintă interes în cazul liniarizării caracteristicilor traductoarelor. Conectarea la acelaşi aparat de măsurare a mai multor traductoare, cu domenii de măsurare diferite necesită determinarea şi memorarea de tabele de corecţie pentru fiecare traductor. Microsistemul poate manipula aceste tabele în strânsă corelaţie cu comutarea de la un traductor la altul. De asemenea în cazul înlocuirii unui traductor cu altul având caracteristici apropiate nu pune problema modificării de circuite, ci impune o reprogramare a memoriei EPROM.

3.3.3. Multimetru monoprocesor

16

Fig.3.3.6. Schema simplificată a unui analizor multicomponent cu absorbţie în UV şi detecţie cvasisimultană

Fig. 3.3.7. Schema simplificată a unui analizor multicomponent cu absorbţie în IR şi cu detecţie simultană interferometrică

3.4. Analizoare spectrometrice multicomponent cu detecţie simultană Analizoarele concepute pe principiul detecţiei simultane a tuturor componentelor

componenţilor amestecului prezintă avantajul unei analize rapide a amestecurilor complexe deoarece furnizează simultan tot spectrul de frecvenţe afectat de componenţii amestecului analizat. În funcţie de varianta adoptată acest spectru este descompus (separat) după lungimile de undă componente şi recepţionat simultan de o reţea de câteva sute de senzori fotoelectrici miniaturali (fotodiode) sau este dirijat direct către un fotoreceptor foarte sensibil care furnizează un semnal complex ce urmează a fi prelucrat cu metoda Fourier.

3.4.1. Scheme cu descompunerea spectrului În figura 3.4.1. se prezintă schema de principiu a detecţiei simultane a fascicolului

de radiaţii policromatice descompus de către o reţea de difracţie şi recepţionat de către o

17

reţea de fotoreceptori. Fascicolul de radiaţii policromatice, emis de sursa SR, parcurge drumul optic în care este amplasata celula de analiză CA, lentilele L şi fanta şi ajunge focalizat pe o reţea de difracţie prin reflexie, RDR, care dispersează acest fascicul în fascicule monocromatice, ordonate după lungimile de undă.

Fig. 3.4.1. Atenuator comandat numeric

Fig. 3.4.2. Amplificator comandat numeric

Fig. 3.4.3. Filtru comandat numeric

18

Fig. 3.4.4. Comanda unui CAN rapid

Fig. 3.4.5. Comanda unui CAN lent prin semnal BUSY

Fig. 3.4.6. Comanda unui CAN prin interogare

Fig. 3.4.7. Comanda comunicaţiei între blocuri

19

Fig. 3.4.8.

Fig. 3.4.9. Schema unei tastaturi alfanumerice

Fig. 3.4.10 Comanda unui sistem de afişare cu LED-uri

Fig. 3.4.11. Generator de caractere

20

T CA CAN MCUM X’ NUX I

Fig. 3.5.1. Conversia mărimilor în procesul de măsurare

21