reforef.ru 1
Министерство образования и науки Российской Федерации


Чувашский государственный университет имени И. Н. Ульянова

Факультет управления и психологии
Заочное отделение

Контрольная работа

По дисциплине: «Автоматизация измерений, контроля и испытаний»
Работу выполнила:

Студентка 5 курса ФУиП

Группы ЗФУиП-51-04

Спиридонова И.В.

Работу проверил:

Казаков В.Д.
Чебоксары 2007


Содержание:


  1. Микропроцессоры и микроЭВМ………………………………………….2




  1. Цифровые измерительные приборы (ЦИП). Структурная схема. Основные характеристики…………………………………………………7




  1. Цифровые измерительные преобразователи. Мосты постоянного или переменного тока…………………………………………………………10




  1. Метод дискретного счета с мостами переменного тока……………….......................................................................................13




  1. Цифровые автоматические приборы с микропроцессором. Цифровые мультиметры………………………………………………………………13




  1. Система ввода-вывода фирмы National Instruments. Системы согласования сигналов SCXI и SCC. Многофункциональные платы и устройства для сбора данных. Модульные измерительные системы стандарта PXI……………………………………………………………...17




  1. Виртуальные приборы (ВП). Построение измерительного комплекса. Технология ВП. Создание ВП в среде графического программирования LabVIEW. Построение программной модели ИС. Моделирование ИИС. Преимущество ВП. Роль ВП в дистанционных автоматизированных учебных лабораториях……………………………………………………21




  1. Интеллектуальные измерительные приборы……………………………30


  1. Моделирование средств измерений. Статистическое и математическое моделирование. Структурные компоненты и схемы средств измерений. Необходимые задачи к расчету измерительных каналов средств измерений………………………………………………………………….31





  1. Ввод аналоговых сигналов ИС. Датчики ИС и устройства согласования. Измерительные коммутаторы. Микропроцессорное управление. АЦП и ЦАП. Регулируемые микропроцессорные контроллеры……………….37


11. Список литературы………………………………………………………46


  1. Микропроцессоры и микроЭВМ

Процессор - центральное устройство (или комплекс устройств) ЭВМ или вычислительной системы, которое выполняет арифметические и логические операции, управляет вычислительным процессом и координирует работу периферийных устройств системы.

Микропроцессор - это обрабатывающее и управляющее устройство, выполненное с использованием технологии БИС (часто на одном кристалле) и обладающее способностью выполнять под программным управлением обработку информации, включая ввод и вывод информации, арифметические и логические операции и принятие решений.

Микро-ЭВМ - это вычислительная или управляющая система выполненная на основе одного или нескольких МП содержащая БИС постоянной и оперативной памяти, БИС управления вводом и выводом информации и оснащенная необходимым периферийным оборудованием (дисплей, печатающее устройство, накопители на магнитных дисках и т. п.).

Микропроцессорная система (МП-система) - специализированная информационная или управляющая система, построенная на основе микропроцессорных средств, т. е. набора микропроцессорных схем.
Представление информации в микроЭВМ и системы счисления.

Цифровые электронные устройства строятся на схемах способных находиться в двух состояниях. Если этим состояниям поставить в соответствие символы 1 и 0, то любому числу, букве или символу можно приписать определенное сочетание единиц и нулей. Представление чисел с помощью двух цифр 1 и 0 получило название двоичной или бинарной системы счисления (в основании системы лежит число 2). Каждый разряд двоичной записи числа называют битом.


Любое число в системе с любым основанием можно записать в виде суммы, где слагаемыми являются весовые коэффициенты умноженные на значащую цифру.

Например, число 245 в десятичной системе можно записать так:



Аналогично, число 45 в двоичной системе можно представить как



В первом случае весовые коэффициенты могут принимать значения от 0 до 9 и в основании системы лежит число 10 (десятичная система счисления), а во втором случае весовые коэффициенты могут принимать значения только 0 и 1, а в основании системы лежит число 2 (двоичная система счисления).
Классификация ЭВМ

Существуют различные критерии для классификации ЭВМ, из которых наиболее распространены следующие:

По назначению: общего пользования (универсальные), ориентированные на решение разнообразных задач.

По быстродействию: малые (до 100 тыс. операций в секунду), средние (до 500 тыс.), большие (до 1,5 млн.), сверхбольшие (свыше 1,5 млн. операций в секунду).

Здесь указано быстродействие центрального процессора. Реальное быстродействие ЭВМ существенно ниже за счет “медленных” устройств ввода-вывода.

По составу оборудования: базовые, включающие стандартный минимальный комплект для поставки потребителю; типовые, включающие комплект оборудования, наиболее используемый в настоящее время; специализированные, включающие комплект оборудования, поставляемого по спецификации заказчика.

Следует иметь ввиду, что классификация ЭВМ постоянно изменяется.

Типовая структура микропроцессорных устройств. Режимы функционирования.

Применение МП позволило создать новый класс вычислительной техники - микропроцессорные системы, обобщенная логическая структура которых приведена на рисунке 1.


Центральное место в этой структуре занимает микропроцессор, который выполняет арифметические и логические операции над данными, осуществляет программное управление процессом обработки информации, организует взаимодействие всех устройств, входящих в систему. Работа МП происходит под воздействием сигналов схемы синхронизации и начальной установки, часто выполняемой в виде отдельного кристалла.

Показанный на рисунке 1 МП может представлять собой или однокристальный МП с фиксированной системой команд или многокристальный МП с микропрограммным управлением.

Представленная на рисунке 1 структура отражает магистрально-модульный принцип организации микропроцессорных устройств и систем. Отдельные блоки являются функционально законченными модулями со своими встроенными схемами управления, выполненными в виде одного или нескольких кристаллов БИС или СБИС. Межмодульные связи и обмен информацией между модулями осуществляются посредством коллективных шин (магистралей), к которым имеют доступ все основные модули системы. В каждый данный момент времени возможен обмен информацией только между двумя модулями системы.

Магистральный принцип построения сопряжения модулей (интерфейс ЭВМ) предполагает наличие информационно-логической совместимости модулей, которая реализуется путем использования единых способов представления информации, алгоритма управления обменом, форматов команд и способа синхронизации.
Архитектура с тремя шинами

Архитектура с тремя шинами является наиболее общей для микропроцессорных систем. Шиной системы называют физическую группу линий передачи сигналов, имеющих схожие функции в рамках системы. Все три шины являются специализированными с точки зрения их функций. Эти шины именуются так:

а) адресная шина;

б) шина данных;

в) шина управления.

По адресной шине передаются лишь выходные сигналы микропроцессора, т. е. от микропроцессора к внешнему устройству. Эта шина предназначена для того, чтобы открывать или выбирать правильный тракт для электрического соединения в пределах микропроцессорной системы.


Для удобства будем в дальнейшем полагать, что все электрические соединения в микропроцессорной системе осуществляются между микропроцессором и устройством, открытым (выбранным) с помощью адресной шины. В качестве устройства здесь выступает любая электрическая схема, принимающая данные от микропроцессора либо вырабатывающая данные для него.

Важнейшей характеристикой адресной шины является ее емкость. Емкость шины определяется числом входящих в нее отдельных электрических линий. К примеру, 16-разрядная адресная шина представляет собой 16 независимых физических линий для передачи электрических сигналов.

Шина данных является двунаправленной шиной. Это означает, что передача данных может производиться в обоих направлениях. В первом случае, данные передаются от микропроцессора во внешнее устройство (выбранное адресной шиной ). Этот режим называется выводом данных. Во втором случае, данные передаются от внешнего устройства (выбранного шиной адреса) в микропроцессор. Этот режим называется вводом данных.

Хотя передача данных по шине данных может производиться в обоих направлениях, однако в каждый заданный момент времени она осуществляется лишь в одном из двух направлений. Это означает, что для передачи данных в устройство (систему) и их приема из системы микропроцессор переводится в соответствующий режим. Также как и адресная шина, шина данных обладает определенной емкостью (разрядностью). По емкости шины данных судят о классе микропроцессора. К примеру, при 8-разрядной шине данных микропроцессор будет отнесен к классу 8-разрядных микропроцессоров.

На шине управления действует несколько типов сигналов. Основные из них:

а) чтение данных из памяти;

б) запись данных в память;

в) чтение данных с устройства ввода-вывода;

г) запись данных в устройство ввода-вывода.

Позднее для этой шины мы введем некоторые добавочные сигналы. Однако для понимания существа процессов пока достаточно ограничиться указанным списком сигналов. Шина управления используется лишь для вывода сигналов, т. е. является однонаправленной.




Для большинства микропроцессоров характерна трехшинная структура, содержащая шину адреса (ША), двунаправленную шину данных (ШД) и шину управления (ШУ). Как видно из рисунка 1, типовая структура МП-системы предполагает наличие общего сопряжения для модулей памяти (постоянных и оперативных запоминающих устройств) и периферийных устройств (устройств ввода-вывода).

В качестве периферийных устройств в МП-системах используются устройства ввода с перфоленты, дисплеи, магнитофоны, гибкие и жесткие магнитные диски, телетайпы, печатающие устройства, клавиатура и т.п.

Периферийное устройство подсоединяется к шинам МП не непосредственно, а через программируемый периферийный адаптер (ППА) или программируемый связной адаптер (ПСА), обслуживающие периферийные устройства соответственно с передачей информации параллельным или последовательным кодом. Наличие программно настраиваемых адаптеров делает весьма гибкой и функционально богатой систему ввода-вывода информации в МП-системе.

Постоянное запоминающее устройство (ПЗУ) хранит системные программы, необходимые для управления процессом обработки. В оперативном запоминающем устройстве (ОЗУ) хранятся прикладные программы, данные и результаты вычислений.

Работа МП синхронизируется тактовыми сигналами CLK, поступающими на его входы от генератора синхронизации. Схема начальной установки вырабатывает сигнал RESET (сброса) микропроцессора на основе анализа напряжений на выходе блока питания или при принудительной остановке работы МПС с ее клавиатуры.

В состав этих МПС, как правило, входят:

- шинный контролер для сопряжения устройств с системной шиной по параллельному интерфейсу;

- адаптер последовательного интерфейса для построения многопроцессорных систем или сопряжения источников и приемников сигналов, не увеличивающих нагрузку на системный интерфейс;


- специализированный процессор арифметической обработки сигналов (сопроцессор);

- ПЗУ команд и констант;

- ОЗУ операндов.

Для обеспечения работы МПС к их системному интерфейсу можно подключать устройства специализированной обработки арифметических алгоритмов, таких как быстрое преобразование Фурье, и устройства обработки аналоговых сигналов.

В состав таких устройств обработки аналоговых сигналов входят:

-аналого-цифровые (АЦП) и цифроаналоговые (ЦАП) преобразователи, обеспечивающие непосредственное сопряжение цифрового устройства обработки с аналоговыми сигналами датчиков и приемников;

- система памяти ПЗУ и ОЗУ;

- буферы данных, используемые для временного хранения (буферизации) данных при передаче между устройствами;

- МП, предназначенный для цифровой обработки аналоговых сигналов.

В рассматриваемых структурах МПС реализуются три способа организации (обслуживания) передачи информации:

1) программно-управляемая передача, инициируемая процессором;

2) программно-управляющая передача, инициируемая запросом прерывания от периферийного устройства;

3) прямой доступ к памяти (ПДП).

При первом способе передача инициируется самим процессором, а при втором - запросом прерывания от периферийного устройства.

При программно-управляемой передаче данных МП на все время этой операции отвлекается от выполнения основной программы, что ведет к снижению производительности МП-системы. Кроме того, скорость передачи данных через МП может оказаться недостаточной для работы с высокоскоростными внешними устройствами.

Прямым доступом к памяти называется способ обмена данными, обеспечиваюший автономно от МП установление связи и передачу данных между ОЗУ и внешним устройством.

Прямой доступ к памяти, повышая предельную скорость ввода-вывода информации и общую производительность МП-системы, делает ее более приспособленной для работы в системах реального времени. Прямым доступом к памяти управляет контролер ПДП, выполяющий следующие функции:


- управление инициируемой процессором или ПУ передачей данных между ОЗУ и ПУ;

- задание размера блока данных, который подлежит передаче, и области памяти, используемой при передаче;

- формирование адресов ячеек ОЗУ, участвующих в передаче;

- подсчет числа байт, передаваемых через интерфейс, и определение момента завершения заданной операции ввода-вывода.
2. Цифровые измерительные приборы (ЦИП). Структурная схема. Основные характеристики.

Интенсификация производственных процессов и научных исследований тесно связана с проведением измерений и обработкой результатов измерений при помощи автоматических измерительных систем. Переход к цифровой технике способствует использованию автоматических измерительных систем и методов активного контроля в процессе производства. В исторически короткое время цифровые измерительные приборы получили поэтому очень широкое применение.

Измеряемые величины разделяют на аналоговые, обладающие несчетным множеством значений по размеру, и квантованные, обладающие счетным множеством значений по размеру.

Применение цифровой измерительной техники связано с квантованием измеряемых величин и их кодированием.

Квантование величины – это операция создания при помощи меры или масштабного преобразователя сигнала, абсолютные или относительные размеры параметров которого имеют ограниченное число значение.

Кодирование – это операция перевода по определенным правилам формального объекта, выраженного совокупностью кодовых символов одного алфавита, в формальный объект, выраженный символами другого алфавита. При кодировании в качестве символов используют буквы алфавита, цифры в определенной системе счисления и различные условные знаки. Наиболее широко применяется числовое кодирование.

Цифровая измерительная техника имеет следующие преимущества по сравнению с аналоговой:

незначительные погрешности отсчета благодаря устранению субъективных влияний (параллакса, усталости, психофизиологических особенностей операторов);


быстрая и простая регистрация измеренных значений (запись, печать, запоминание);

удобство контроля за технологическим процессом путем подключения к центральному контрольно-измерительному пункту и использования управляющей вычислительной машины;

обеспечение автоматизации технологического процесса (измерение, управление, регулирование) путем подключения к управляющей вычислительной машине, работающей в реальном масштабе времени;

простота коррекции погрешностей измерений с использованием соответствующих подпрограмм в электронных вычислительных устройствах.

На рис. 2 приведены принципиальные структуры аналоговых и цифровых измерительных систем.

Погрешность измерений при использовании цифровых измеритель-

ных приборов (не связанная с погрешностями, вызываемыми отдельными измерительными звеньями) зависит от наименьшего шага квантования.


Рис. 2. Принципиальные структуры аналоговых и цифровых измерительных систем
Цифровые измерительные приборы могут быть с аналого-цифровым преобразованием: на входе системы (чисто цифровые измерительные системы) характеризуются тем, что аналого-цифровой преобразователь одновременно является первичным измерительным преобразователем; на выходе; промежуточное (непрерывное преобразование величин в цифровые).

Наиболее часто используемые на практике измерительные системы с аналого-цифровым преобразованием на входе содержат первичные преобразователи линейных и угловых величин, а также преобразователи частоты.

Цифровые измерительные системы с аналого-цифровым преобразованием на выходе системы характеризуются тем, что аналого-цифровой преобразователь подключается к аналоговому согласующему устройству (усилителю, фильтру, решающему устройству и т. д.). Обычно для этого применяют аналого-цифровые преобразователи.

В цифровых измерительных системах с промежуточным преобразованием непрерывных величин в цифровые аналого-цифровой преобразователь располагается между аналоговым первичным преобразователем и цифровым согласующим устройством (усилителем, фильтром, решающим устройством и т.д.) и цифровые сигналы на выходе согласующего устройства снова преобразуются в аналоговые сигналы, например, для управления процессом с помощью гибридной аналого-цифровой техники.


Первичный преобразователь воспринимает непосредственно или косвенно измеряемую величину и формирует информативный параметр измерительного сигнала. Хорошо зарекомендовали себя цифровые измерительные преобразователи длин и углов, а также квазицифровые частотные измерительные преобразователи. Наряду с ними находят применение цифровые измерительные преобразователи усилия в перемещение.

3. Цифровые измерительные преобразователи. Мосты постоянного или переменного тока.

Измерительные преобразователи как средства измерений. Преобразователь - техническое средство, служащее для преобразования измеряемой величины в другую величину или сигнал измерительной информации, удобный для обработки, хранения, индикации или передачи и имеющее нормированные метрологические характеристики. Различают: первичные Преобразователи - первые в измерительной цепи, к которым подведена измеряемая величина; промежуточные; передающие; масштабные. Конструктивно обособленные преобразователи называют также датчиком.