Электронная преобразующая аппаратура (эпа)

Данное техническое решение относится к области вычислительной техники и применяется в строительстве, в частности в качестве техники для определения механических свойств строительных материалов, естественных и искусственно улучшенных грунтов и может быть использовано в геотехнике, при испытании строительных материалов, грунтоведении и инженерной геологии.

Электронно-преобразующая аппаратура (ЭПА) предназначена для преобразования сигналов от датчиков физических величин, передачи данных в персональную электронно-вычислительную машину (ПВЭМ) и управления процессом силового нагружения в устройствах, входящих в состав измерительно-вычислительного комплекса ИВК автоматизированной системы испытаний в строительстве (ИВК «АСИС») по командам из ПВЭМ.

ИВК представляет собой многоканальный преобразователь, к аналоговым входам которого подключаются датчики давления, силы и линейных перемещений находящиеся в устройствах компрессионного сжатия, одноплоскостного среза и трехосного сжатия, а к дискретным выходам - цепи управления электропневматическими клапанами соответствующих устройств, которые регулируют нагружения испытываемых образцов грунта.

Максимальное количество каналов для преобразования сигналов с датчиков давления - 4.

Максимальное количество каналов для преобразования сигналов с датчиков перемещения - 4.

Связь изделия с ПВЭМ и устройствами осуществляется через адаптер интерфейса АИ RS-485/232.

ЭПА состоит из модуля датчиков перемещения (МДП) и модуля датчиков давления и силы (МДДС).

МДП предназначен для приема и предварительной обработки данных с четырех датчиков перемещения.

МДДС формирует:

- опорное стабилизированное напряжение постоянного тока плюс 5 В для питания датчиков;

- сигналы управления пневматическими клапанами стабилизаторов давления амплитудой плюс 12 В и током не более 30 мА.

Область техники

Данное техническое решение относится к области вычислительной техники и применяется в строительстве, в частности в качестве техники для определения механических свойств строительных материалов, естественных и искусственно улучшенных грунтов и может быть использовано в геотехнике, при испытании строительных материалов, грунтоведении и инженерной геологии.

Уровень техники

Аналогом заявляемого технического решения является УСТРОЙСТВО ВВОДА-ВЫВОДА (патент на изобретение RU 2221267 С1, заявка 2002113612/09 от 24.05.2002 г., МПК G06F 3/00, G06F 17/40, опубликовано 10.01.2004 г.).

Устройство ввода-вывода, характеризующееся тем, что оно содержит приемопередатчик магистрального канала информационного обмена, контроллер магистрального канала информационного обмена, микроЭВМ, дешифратор, первый триггер, второй триггер, буферный элемент, аналого-цифровой преобразователь, мультиплексор, многоканальный цифроаналоговый преобразователь, приемник разовых команд, формирователь разовых команд, внутреннюю магистраль информационного обмена, трехканальный таймер, мажоритарную схему, при этом вход-выход приемопередатчика магистрального канала информационного обмена является входом-выходом магистрального канала информационного обмена устройства ввода-вывода, контроллер магистрального канала информационного обмена соединен с приемопередатчиком магистрального канала информационного обмена, интерфейсный вход-выход контроллера магистрального канала информационного обмена, интерфейсный вход-выход микроЭВМ, выход данных аналого-цифрового преобразователя, вход кода номера канала мультиплексора, выход данных приемника разовых команд, вход данных формирователя разовых команд соединены между собой при помощи внутренней магистрали информационного обмена, разряды адреса с нулевого по второй внутренней магистрали информационного обмена соединены с соответствующими входами дешифратора, нулевой разряд данных внутренней магистрали информационного обмена соединен с входом данных первого триггера, выход буферного элемента соединен с пятнадцатым разрядом данных внутренней магистрали информационного обмена, сигнал чтения внутренней магистрали информационного обмена соединен с первым разрешающим входом дешифратора, сигнал записи внутренней магистрали информационного обмена соединен с нулевым разрешающим выходом дешифратора, выход последовательного интерфейса микроЭВМ соединен со входом многоканального цифроаналогового преобразователя, выходы которого являются выходами аналоговых сигналов устройства ввода-вывода, первый выход дешифратора соединен с управляющим входом многоканального цифроаналогового преобразователя, второй выход дешифратора соединен со входом сигнала сброса трехканального таймера, третий выход дешифратора соединен со входом синхронизации первого триггера, выход первого триггера соединен с входом синхронизации первого триггера, выход первого триггера соединен с входом сигнала разрешения счета трехканального таймера, четвертый выход дешифратора соединен с управляющим входом формирователя разовых команд, пятый выход дешифратора соединен с управляющим входом приемника разовых команд, шестой выход дешифратора соединен управляющим входом мультиплексора, седьмой выход дешифратора соединен со входом сигнала запуска аналого-цифрового преобразователя, восьмой выход дешифратора соединен с управляющим входом аналого-цифрового преобразователя, выход мультиплексора соединен со входом аналогового сигнала аналого-цифрового преобразователя, первый, второй, третий выходы трехканального таймера соединены соответственно с первым, вторым, третьим входами мажоритарной схемы, выход которой является выходом сигнала таймера устройства ввод-вывода, выход сигнала готовности аналого-цифрового преобразователя соединен со входом синхронизации второго триггера, входы мультиплексора являются входами аналоговых сигналов устройства ввода-вывода, входы приемника разовых команд являются входами разовых команд устройства ввода-вывода, выходы формирователя разовых команд являются выходами разовых команд устройства ввода-вывода, седьмой выход дешифратора соединен со входом сброса второго триггера, вход данных которого подключен к источнику сигнала логической единицы, восьмой выход дешифратора соединен с разрешающим входом буферного элемента, выход второго триггера соединен со входом данных буферного элемента.

Недостатком данного аналога является невозможность реализовать заданные технические требования в полном объеме из-за его несколько иного функционального назначения.

Другим аналогом заявляемого технического решения является УСТРОЙСТВО СОПРЯЖЕНИЯ (патент на изобретение RU 2148273 C1, заявка 98115968/09 от 24.08.1998 г., МПК G06F 13/00, G06F 3/00, опубликовано 27.04.2000 г.).

Устройство сопряжения, содержащее блок управления, аналого-цифровой преобразователь с усилителем, коммутатор аналоговых сигналов, регистры и блок синхронизации, вход разрешения которого подключен к одному из выходов блока управления, отличающееся тем, что в него введены цифроаналоговый преобразователь, блок гальванической развязки из оптронов с первого по седьмой, источник эталонных напряжений, источник опорного напряжения, буферный усилитель и соединитель, при этом блок синхронизации выполнен в виде последовательно соединенных генератора пачки импульсов и линии задержки, регистры выполнены в виде регистра режимов и с первого по второй последовательно-параллельных регистров, блок управления соединен другим своим выходом с первым входом регистра режимов, в информационной шиной - со вторым входом регистра режимов и с первым входом первого последовательно-параллельного регистра, ко второму входу которого подключен выход генератора пачки импульсов, а к третьему входу - выход первого оптрона, вход которого подключен к выходу упомянутого аналого-цифрового преобразователя, выход первого последовательно-параллельного регистра подсоединен к входу второго оптрона, выход которого соединен с первыми входами второго последовательно-параллельного регистра и цифроаналогового преобразователя, выход линии задержки подсоединен к входу третьего оптрона, выход которого подключен ко вторым входам второго последовательно-параллельного регистра и цифроаналогового преобразователя и первому входу аналого-цифрового преобразователя, входы четвертого, пятого, шестого и седьмого оптронов соединены с соответствующими выходами регистра режимов, а выходы соответственно соединены через буферный усилитель со вторым входом упомянутого аналого-цифрового преобразователя, с третьим входом цифроаналогового преобразователя, с третьим входом второго последовательно-параллельного регистра и с третьим входом упомянутого аналого-цифрового преобразователя, четвертый вход цифроаналогового преобразователя подключен к соединителю, выход второго последовательно-параллельного регистра подключен к первому входу коммутатора, ко второму входу которого подключен соединитель, к третьему - выход источника эталонных напряжений, а к четвертому входу - выход цифроаналогового преобразователя, подключенный к соединителю, выход источника опорного напряжения подсоединен к четвертому входу упомянутого аналого-цифрового преобразователя и к соединителю, а коммутатор выполнен с возможностью подключения аналогового входа устройства сопряжения через соединитель ко входу усилителя аналого-цифрового преобразователя.

Недостатком данного аналога является иное функциональное назначение, невозможность реализовать заданные технические требования в полном объеме.

Наиболее близким аналогом (прототипом) заявляемого технического решения является КОМПЛЕКС ПРОГРАММНО-АППАРАТНЫХ СРЕДСТВ АВТОМАТИЗАЦИИ УПРАВЛЕНИЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИМИ ПРОЦЕССАМИ (патент на изобретение RU 2279117 С1, заявка 2004123926 от 04.08.2004 г., МПК G05B 19/418, G05B 15/02, регистрация 04.06.2006 г.).

1. Комплекс программно-аппаратных средств автоматизации управления технологическими процессами, содержащий объединенные через локальную вычислительную сеть (ЛВС) Ethernet рабочие станции и серверы на базе персональных электронных вычислительных машин (ПЭВМ), а также контроллеры, соединенные через локальную вычислительную сеть Ethernet между собой и с ПЭВМ, отличающийся тем, что каждый контроллер содержит модуль центрального процессора (МЦП), предназначенный для управления функциональными модулями и исполнительными механизмами, и модули функциональные (МФ) с конфигурируемой структурой, предназначенные для обработки сигналов от датчиков и формирования сигналов управления исполнительными механизмами, соединенные через системную шину VME-bus, причем модуль функциональный МФ с конфигурируемой структурой содержит схему интерфейса VME-bus, мезонины ввода и мезонины вывода переменного количества и структуры, соединенные через первую группу разъемов со схемой обработки сигналов и управления, а через вторую группу разъемов - с внешними входами и выходами модуля функционального, соответственно, для подключения внешних датчиков и исполнительных механизмов.

2. Комплекс программно-аппаратных средств автоматизации управления по п.1, отличающийся тем, что в конфигурации для работы в режиме централизованного управления, например объекта атомной энергетики, комплекс содержит модуль центрального процессора МЦП, предназначенный для управления функциональными модулями и исполнительными механизмами, и модули функциональные МФ с конфигурируемой структурой, предназначенные для обработки сигналов от датчиков и формирования сигналов управления исполнительными механизмами, соединенные через системную шину VME-bus, модули функциональные содержат схемы интерфейса VME-bus, мезонины ввода и мезонины вывода, соединенные со схемой интерфейса VME-bus через первую группу выходов и входов, а через разъемы и вторую группу входов и выходов с группой входов и выходов модуля функционального для подключения соответственно внешних датчиков и исполнительных механизмов.

3. Комплекс программно-аппаратных средств автоматизации управления по п.1, отличающийся тем, что в конфигурации локального управления, например объекта атомной энергетики, модуль функциональный с конфигурируемой структурой, предназначенный для обработки сигналов от датчиков и формирования сигналов управления исполнительными механизмами, содержит схему интерфейса VME-bus, схему логического управления, соединенные между собой, мезонины ввода и мезонины вывода, соединенные через первую группу выходов и входов соответственно со схемой логического управления, а через вторые группы входов и выходов - с группой входов и выходов модуля функционального для подключения соответственно внешних датчиков и исполнительных механизмов.

4. Комплекс программно-аппаратных средств автоматизации управления по п.1, отличающийся тем, что в конфигурации распределенного управления, например объекта атомной энергетики, комплекс содержит модуль центрального процессора (МЦП), предназначенный для управления функциональными модулями и исполнительными механизмами, и модули функциональные (МФ) с конфигурируемой структурой, предназначенные для обработки сигналов от датчиков и формирования сигналов управления исполнительными механизмами, соединенные через системную шину VME-bus, причем каждый модуль функциональный содержит схему интерфейса VME-bus, соединенную со схемой логического управления, мезонины ввода и мезонины вывода, соединенные через первые группы выходов и входов соответственно с входами и выходами схемы логического управления, а через вторые группы входов и выходов соответственно с группой входов модуля функционального для подключения внешних датчиков и группой выходов для подключения исполнительных механизмов.

5. Комплекс программно-аппаратных средств автоматизации управления по п.1, отличающийся тем, что модуль центрального процессора содержит ОДНОПЛАТНЫЙ КОМПЬЮТЕР ФОРМАТА РС/104, имеющий входы-выходы СОМ (RS-232C), KEYB (клавиатуру), VGA (монитор) и ETHERNET (ЛВС), ПЛИС Xilink ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ ИНТЕРФЕЙСА РС/104 В ИНТЕРФЕЙС VME, имеющий внешние дискретный вход, выход ОК (открытый коллектор) и вход-выход на шину интерфейса VME и соединенный по второму входу-выходу с шиной управления ОДНОПЛАТНОГО КОМПЬЮТЕРА ФОРМАТА РС/104, энергонезависимое запоминающее устройство (ЭНЗУ), соединенное по третьему входу-выходу с ПЛИС Xilink ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯ ИНТЕРФЕЙСА РС/104 В ИНТЕРФЕЙС VME.

6. Комплекс программно-аппаратных средств автоматизации управления по п.1, отличающийся тем, что мезонин ввода аналоговый (МВА) содержит программируемые усилители, входы первых двух являются входом U (I) мезонина, преобразователь напряжение/частота, соединенный входами V1 и V4 с выходами третьего и четвертого операционных усилителей, элемент оптогальванической развязки, соединенный по входу с входом управления мезонина, а по выходу - с управляющим входом преобразователя напряжение/частота, выходной транзисторный каскад, соединенный с выходом преобразователя напряжение/частота, второй элемент оптогальванической развязки, соединенный по входу с выходным транзисторным каскадом, а по выходу - с цифровым выходом мезонина, источник опорного напряжения, соединенный с операционными усилителями и преобразователем напряжение/частота.

7. Комплекс программно-аппаратных средств автоматизации управления по п.1, отличающийся тем, что мезонин вывода аналоговый (МВВА) содержит цифроаналоговый преобразователь ЦАП, два входа которого соединены соответственно с входом данных и тактовой частоты Fтакт мезонина, операционный усилитель ОУ, вход которого соединен с выходом ЦАП, и выходной каскад, вход которого соединен с выходом операционного усилителя ОУ, а выход является выходом для подключения нагрузки к мезонину.

8. Комплекс программно-аппаратных средств автоматизации управления по п.1, отличающийся тем, что мезонин ввода цифровой (МВЦ) содержит входную мостовую схему выпрямителя преобразователя сигнала из цифровой в аналоговую форму, соединенную с входом Uвх мезонина, сглаживающий RC фильтр, элемент оптогальванической развязки, подключенные к выходу мостовой схемы выпрямителя преобразователя, и выходной инвертор, соединенный по входу с выходом элемента оптогальванической развязки, а выходом - с TTL-выходом мезонина.

9. Комплекс программно-аппаратных средств автоматизации управления по п.1, отличающийся тем, что мезонин вывода цифровой (МВВЦ, МВВЦ РЕЛЕ1, МВВЦ РЕЛЕ2) содержит входной инвертор, вход которого соединен с TTL-входом мезонина, согласующий транзистор, соединенный с выходом входного инвертора, релейную схему с демпфирующим диодом, соединенную с выходом согласующего транзистора, сглаживающий выходной каскад, подключенный к контактам релейной схемы и через предохранитель к выходу мезонина.

10. Комплекс программно-аппаратных средств автоматизации управления по п.1, отличающийся тем, что мезонин вывода цифровой (МВВЦ 24 В) содержит входной усилитель, вход которого соединен с TTL-входом мезонина, оптический ключ, вход которого соединен с выходом входного усилителя, преобразователь напряжения 5 В/24 В, вход которого соединен с выходом оптического ключа, а выход - с выходом 24 В мезонина, и защитные диоды, соединенные с выходом преобразователя напряжения 5 В/24 В и выходом мезонина.

11. Комплекс программно-аппаратных средств автоматизации управления по п.1, отличающийся тем, что мезонин ввода цифровой импульсный (МВЦИ) содержит входную ограничительную диодную схему, соединенную с входом Uc мезонина, элемент оптогальванической развязки, соединенный с выходом ограничительной диодной схемы, и выходной инвертор, вход которого соединен с выходом элемента оптогальванической развязки, а выход - с TTL-выходом мезонина.

12. Комплекс программно-аппаратных средств автоматизации управления по п.1, отличающийся тем, что мезонин позиционирования (Мпоз) содержит две входные схемы преобразования цифровых сигналов в аналоговые, соединенные соответственно с двумя входами Uвх мезонина, два элемента оптогальванической развязки, соединенные с соответствующими выходами входных схем преобразования, два выходных инвертора, соединенные входами соответственно с выходами элементов оптогальванической развязки, а выходами - с TTL-выходами мезонина, третий инвертор, соединенный с TTL-входом мезонина, транзисторный каскад преобразования, соединенный с выходом третьего инвертора, оптический ключ, вход которого соединен с выходом транзисторного каскада преобразования, ограничительную выходную схему, вход которой соединен с выходом оптического ключа, а выход - с третьим выходом мезонина.

13. Комплекс программно-аппаратных средств автоматизации управления по п.1, отличающийся тем, что мезонин последовательного интерфейса (ММПИ) MIL-STD 1553В содержит КОДЕР, соединенный с TTL-входом мезонина, ДЕКОДЕР, соединенный с TTL-выходом мезонина, ПРИЕМОПЕРЕДАТЧИК, соединенный с выходом КОДЕРА и входом ДЕКОДЕРА, согласующий трансформатор, соединенный с ПРИЕМОПЕРЕДАТЧИКОМ и выходом на шину МАНЧЕСТЕР мезонина.

14. Комплекс программно-аппаратных средств автоматизации управления по п.1, отличающийся тем, что мезонин вывода с открытым коллектором/эмиттером (МВОК) содержит инвертор, соединенный с TTL-входом, согласующий транзисторный каскад, вход которого соединен с выходом инвертора, элемент оптогальванической развязки, вход которого соединен с выходом согласующего транзисторного каскада, и выходные ключевые схемы, соединенные по входу с коллектором и эмиттером транзисторного элемента оптогальванической развязки, а по выходу через предохранительные и ограничительные элементы - с выходом мезонина.

Недостатком прототипа является несколько иная область применения (атомная энергетика), использующая отличающиеся от требуемых типы датчиков и исполнительные механизмы, имеет большие весогабаритные параметры, громоздкую в виде напольного шкафа конструкцию.

Сущность полезной модели

Известная электронная преобразующая аппаратура (ЭПА), предназначенная для преобразования сигналов от датчиков физических величин, передачи данных в персональную электронную вычислительную машину (ПВЭМ) и управления процессом силового нагружения в подключенных устройствах, содержит модуль датчиков перемещения (МДП) и модуль датчиков давления и силы (МДДС), к входам МДП подключены датчики перемещения, к входам МДДС датчики давления и силы, а к первым выходам МДДС пневмоклапаны, выходы МДП и МДДС соединены с интерфейсом RS-485 и через адаптер интерфейса RS-485/232 с СОМ-портом ПЭВМ.

Целью создания данного технического решения является разработка электронного преобразовательного комплекса с улучшенными техническими характеристиками, позволяющую получить всесторонние данные измерений для их последующей обработки при приемлемых весогабаритных характеристиках.

Модуль датчиков перемещения МДП и модуль датчиков давления и силы МДДС содержат каждый микропроцессор, соединенный по внутреннему с портами: через порт А с первым аналого-цифровым преобразователем АЦП, через порт В со схемой адреса блока и программатором, через порт С со вторым АЦП и асинхронным последовательным портом, и двумя портами синхронным последовательным портом и универсальным последовательным асинхронным, аналого-цифровые преобразователи, соединенные через схему преобразования с входами от датчиков перемещения в МДМ и с входами от датчиков давления и силы в МДДС, а выходы микропроцессоров соединены через выходные усилители с интнрфейсом RS/485, выходы микропроцессора МДДС через схему преобразования дополнительно соединены с выходами пневмоклапанов.

Перечень фигур, чертежей и иных материалов

Фиг.1 - структурная схема электронной преобразующей аппаратуры (ЭПА) в составе измерительно-вычислительного комплекса автоматизированной системы испытаний в строительстве (ИВК АСИС);

фиг.2 - внешний вид структурной схемы электронной преобразующей аппаратуры (ЭПА);

фиг.3 - функциональная схема узла микропроцессора модуля датчиков перемещения;

фиг.4 - схема программируемой логической интегральной схемы (ПЛИС) формирования кодов выборок;

фиг.5 - схема кондиционирования сигнала от датчика перемещения:

фиг.6 - схема взаимодействия микропроцессора с аналого-цифровым преобразователем;

фиг.7 - временная диаграмма режима синхронизации интерфейса SSP;

фиг.8 - временная диаграмма процесса обмена данными между процессором и АЦП;

фиг.9 - схема преобразования уровней DD2 и одновибратора DD3;

фиг.10 - временная диаграмма преобразования уровней DD2 и DD3;

фиг.11 - перечень регистров микропроцессора микроконтроллера;

фиг.12 - схема узла задания адреса микроконтроллера;

фиг.13 - схема синхронизирующего генератора;

фиг.14 - схема узла стабилизатора напряжения;

фиг.15 - функциональная схема портов микропроцессора МДДС;

фиг.16 - схема узла усилителей сигналов тензодатчиков МДДС;

фиг.17 - схема последовательного синхронного интерфейса SSP;

фиг.18 - временная диаграмма режима синхронизации интерфейса SSP;

фиг.19 - временная диаграмма процесса взаимодействия АЦП с микропроцессором;

фиг.20 - схема синхронизирующего генератора МДДС;

фиг.21 - схема узла стабилизатора напряжения МДДС.

Пример варианта выполнения устройства

На фиг.1 обозначены: 1 - персональный компьютер PC с подсистемой П2-ДП/ДД и двумя СОМ-портами, 2 - модуль датчиков перемещения МДП, 3 - датчик перемещения, 4 - адаптер интерфейса АИ RS-485/232, 5 - датчик давления, 6 - модуль датчиков давления и силы МДДС, 7 - пневмоклапан, 8 - интерфейс RS-485.

Блок электронно-преобразующей аппаратуры ЭПА (ГТ 6.0.1) (далее по тексту изделие) предназначен для преобразования сигналов с датчиков физических величин, передачи данных в персональную электронно-вычислительную машину (ПЭВМ) и управления процессом силового нагружения в устройствах, входящих в состав измерительно-вычислительного комплекса «АСИС» (ИВК «АСИС»), по командам с ПЭВМ.

Изделие представляет собой многоканальный преобразователь. К его аналоговым входам подключаются датчики давления, силы и линейных перемещений, находящиеся в устройствах компрессионного сжатия, одноплоскостного среза и трехосного сжатия. К дискретным выходам - цепи управления электропневматическими клапанами соответствующих устройств, которые регулируют нагружения испытываемых образцов грунта.

Изделие по виду климатического исполнения относится к УХЛ4.2 по ГОСТ 15150-69 и предназначен для следующих условий эксплуатации:

- температура окружающего воздуха - от плюс 10 до плюс 25°С;

- относительная влажность воздуха - до 80% при температуре плюс 25°С;

- атмосферное давление от 84 до 106,7 кПа (от 630 до 800 мм рт.ст.).

Технические характеристики

Максимальное количество каналов для преобразования сигналов с датчиков давления - 4.

Максимальное количество каналов для преобразования сигналов с датчиков перемещения - 4.

Связь изделия с ПЭВМ и устройствами осуществляется через адаптер интерфейса АИ RS-485/232 (ГТ 6.0.2).

Электропитание осуществляется:

- от сети переменного тока напряжением от 187 В до 242 В и частотой (50±1)Гц;

- потребляемый ток, не более 0,08 А.

Мощность, потребляемая изделием не более 20 ВхА.

Электропитание датчиков перемещений осуществляется от внутреннего источника питания переменного тока:

напряжением от плюс 4,5 до плюс 5,5 В и частотой 10 кГц;

потребляемый ток, не более 30 мА.

Электропитание датчиков давления и силы осуществляется от внутреннего источника питания постоянного тока:

напряжением от плюс 4,5 до плюс 5,5 В;

потребляемый ток, не более 30 мА.

Диапазон выходного сигнала с датчиков силы и давления (0-20) мВ.

Диапазон амплитуд выходного сигнала с датчика перемещения (0-800) мВ.

Погрешность преобразования выходных сигналов с датчиков физических величин не превышает 0,5% от диапазона измерения.

Прием и передача данных от датчиков и управление пневматическими клапанами устройств осуществляется через стык интерфейсов RS-232/485.

Длительность цикла опроса сигналов с датчиков не более 50 мс.

Степень защиты изделия IP30 по ГОСТ 14254.

Габаритные размеры (длина х ширина х высота), не более - 257х157х257 мм.

Масса изделия, не более 3,8 кг.

Средняя наработка изделия на отказ, не менее -14000 часов.

Среднее время восстановления, не более 1 час.

Средний срок службы, не менее 5 лет при соблюдении правил эксплуатации.

Конструктивно изделие выполнено в металлическом корпусе.

Состав изделия

Изделие состоит из подсистемы П2-ДП/ДД (далее по тексту подсистема) и блока питания.

Устройство и работа

На передней панели изделия расположен светодиодный индикатор «СЕТЬ».

На задней панели изделия расположены:

- разъемы «КУ1 - КУ4», «ДН1 - ДН4» и «ДП1 - ДП4» для подключения к изделию устройств, входящих в состав ИВК «АСИС»;

- разъемы «RS-485» для подключения интерфейса;

- блок с розеткой для подключения к сети питания 220 В и переключателем сетевого питания;

- клемма защитного заземления.

Описание и работа составных частей изделия

Описание и работа подсистемы

Общие сведения

Подсистема предназначена для управления модулями автоматики и состоит из:

- модуля датчиков перемещения (МДП);

- модуля датчиков давления и силы (МДДС).

Подсистема адресует и опрашивает МДП. Данные, возвращаемые блоком, содержат результаты аналого-цифрового преобразования сигналов с четырех датчиков перемещения.

Подсистема работает под управлением операционной системы ОС Microsoft Windows 2000/XP/2003 с установленным Microsoft.NET Framework 1.1. Требования к аппаратному обеспечению представлены ниже в таблице.

Описание и работа модуля датчиков перемещения

Общие сведения

МДП предназначен для приема и предварительной обработки данных с четырех датчиков перемещения.

МДП обеспечивает:

- формирование возбуждающего синусоидального сигнала для четырех датчиков перемещения;

- усиление сигналов датчиков перемещения;

- пиковое детектирование и фиксацию сигналов (минимального и максимального) четырех датчиков перемещения;

- преобразование фиксированных сигналов (максимального и минимального) датчиков перемещения в цифровой код (12 разрядов без знака);

- формирование кодов разностных сигналов (максимальный минус минимальный) датчиков перемещений (13 разрядов со знаком);

- связь с персональным компьютером через стык интерфейса;

- выдачу данных с четырех датчиков перемещения в управляющую программу.

Технические данные

МДП формирует возбуждающее синусоидальное напряжение для четырех датчиков перемещения трансформаторного типа частотой 10 кГц.

Связь МДП с ПВЭМ обеспечивается через стык интерфейсов RS-232/485 со скоростью 38900 бит/с.

Питание МДП осуществляется от внутреннего источника питания;

постоянного тока напряжением плюс 12 В, минус 12 В;

постоянного тока напряжением плюс 5 В;

МДП выполнен в виде сменного модуля с разъемом DIN.

Состав МДП

МДП состоит из:

- узла микропроцессора;

- генератора возбуждающего синусоидального напряжения;

- узла кондиционирования сигналов;

- аналого-цифрового преобразователя (АЦП);

- узла преобразователя интерфейсов RS-232/485;

- блока задания адреса;

- узла генератора синхронизирующего;

- стабилизатора напряжения питания.

Устройство и работа

В качестве микроконтроллера в МДП используется микропроцессор PIC16F874A. Функциональная схема узла микропроцессора приведена на фиг 3.

Генератор возбуждающего синусоидального напряжения осуществляет генерацию напряжения в дискретной форме с последующим преобразованием в аналоговый сигнал. Формирование кодов выборок cnt20 - cnt27 происходит в программируемой логической интегральной схеме (ПЛИС) DD4 (см. фиг 4). ПЛИС формирует импульсы фиксации экстремальных значений (пиковое детектирование) tl и th. Коды выборок поступают на цифро-аналоговый преобразователь (ЦАП) DA1 и через предварительный усилитель DA2 на четырехканальный усилитель мощности DA3 с его выходов сигналы ДП1-ДП4 поступают на обмотки возбуждения датчиков перемещения.

В узле кондиционирования сигналов сигнал с датчика перемещения (схема кондиционирования одного датчика приведена на фиг.5) обрабатывается операционным усилителем DA7 с регулируемым коэффициентом усиления. Экстремальное детектирование минимального и максимального значений осуществляется в схемах аналоговой памяти, аналогового ключа DD6. Зафиксированные на конденсаторах С8 и С40 минимальное и максимальное значения поступают через буферный усилитель R31-C37 и R35-C39, далее в АЦП на входы каналов 1 и 2.

АЦП представляет собой интегральный АЦП МСР3208-В. Взаимодействие микропроцессора с АЦП (см. фиг.6) осуществляется с помощью последовательного синхронного интерфейса SSP (режим синхронизации иллюстрируется фиг.7). Процесс обмена данными между процессором и АЦП иллюстрируется фиг.8. Процессор в байтах задает режим обмена и адрес одного из восьми каналов АЦП, в ответ АЦП в байтах D_out выставляет код преобразованного сигнала. Инициализация SSP и конфигурирование последовательностей задается кодами программ микропроцессора.

Узел преобразователя интерфейсов RS-232/485 состоит из схемы преобразования уровней DD2 и одновибратора DD3 (см. фиг.9). В интервале передачи данных из микроконтроллера одновибратор формирует сигнал высокого уровня и переключает DD2 на передачу. Для обмена данными между микроконтроллером и ПЭВМ используется протокол асинхронной связи с адресным байтом. Первым посылается адресный байт, признаком которого является наличие «1» в бите 8, затем следует байт данных с «0» в бите «8» (см. фиг.10). Микропроцессор микроконтроллера настраивается на протокол регистрами, перечень которых приведен на фиг.11.

Схема узла задания адреса приведена на фиг.12. Адрес блока задается ключами К1.1 - К1.4, набранное значение считывается микропроцессором через порт В (см. рисунок 2). Микропроцессор сравнивает набранное и принятое по интерфейсу значения и в случае совпадения принимает байт данных.

В узле синхронизирующего генератора используется кварцевый резонатор КР1 (см. фиг.13). С буферного элемента DD5.5 импульсы частотой 10 МГц поступают в ПЛИС DD4. На вход OSC1 микропроцессора приходит серия импульсов частотой 5 МГц.

В узле стабилизатора напряжения используются интегральные стабилизаторы DA4-DA6 (см. фиг.14).

Назначение и работа модуля датчиков давления и силы МДДС

Общие сведения

МДДС предназначен для приема и предварительной обработки данных с четырех тензодатчиков давления.

МДДС обеспечивает:

- формирование опорного сигнала для датчиков;

- усиления сигналов с датчиков;

- преобразование усиленных сигналов с датчиков в цифровой код (12 разрядов без знака);

- выдачу данных с датчиков в управляющую программу;

- прием задаваемых значений давления (4 канала) из управляющей программы (12 разрядов без знака);

- прием сигналов разрешения режима стабилизации давления (4 канала);

- выдачу управляющих воздействий на пневматические клапаны стабилизации давления (4 канала, 2 клапана на канал).

Входными данными для каждого канала МДДС являются: адрес блока (устанавливается производителем), значения задаваемых давлений, режим работы (измерение/стабилизация); выходными данными являются показания тензодатчиков давления.

Технические характеристики

МДДС формирует:

- опорное стабилизированное напряжение постоянного тока плюс 5 В для питания датчиков.

- сигналы управления пневматическими клапанами стабилизаторов давления амплитудой плюс 12 В и током не более 30 мА.

Электропитание МДДС осуществляется от внутреннего источника питания;

- постоянного тока напряжением плюс 12 В, минус 12 В;

- постоянного тока напряжением плюс 5 В.

Взаимодействие МДДС с ПВЭМ осуществляется через стык интерфейсов RS-232/485 со скоростью 38900 бит/с.

Конструктивно МДДС выполнен в виде сменного модуля с разъемом DIN.

Габаритные размеры, не более 80×100×160 мм.

МДДС состоит из:

- микропроцессора;

- узла усилителей сигналов тензодатчиков;

- АЦП;

- узла формирования сигналов управления пневматическими клапанами;

- преобразователя RS-232/485;

- узла задания адреса;

- генератора синхронизирующего;

- стабилизатора напряжения питания.

Устройство и работа модуля датчиков давления и силы

В качестве микроконтроллера в МДДС применяется микропроцессор PIC16F874A. Функциональная схема портов микропроцессора приведена на фиг.15.

В качестве опорного напряжения в узле усилителей сигналов тензодатчиков (см. фиг.16) используется стабилизированное напряжение питания аналоговых схем +5 В, которое подается на датчик. Дифференциальные сигналы с датчика «+ДД0» и «-ДД0» усиливаются усилителями DA4.1 и DA4.2, смещение нуля устраняется регулировкой резистора R16. После фильтрации сигнала через R22 и С26 сигнал с датчика поступает на АЦП DA5.

Аналого-цифровой преобразователь АЦП представляет собой интегральный АЦП МСР3208-В. Схема последовательного синхронного интерфейса SSP приведена на фиг.17. Режим синхронизации иллюстрируется фиг.18. Процесс взаимодействия АЦП с микропроцессором иллюстрируется фиг.19. Микропроцессор в байтах D_in задает режим обмена и адрес одного из восьми каналов АЦП, в ответ АЦП в байтах D _out выставляет код преобразованного сигнала.

Инициализация SSP и конфигурирование последовательностей задаются кодами программ микропроцессора.

Узел преобразователя интерфейсов RS-232/485 МДДС аналогичен узлу преобразования интерфейсов МДД.

Узел задания адреса МДДС аналогичен соответствующему узлу МДД.

В синхронизирующего генератора используется кварцевый резонатор КР1 (см. фиг.20). С буферного элемента DD8.3 импульсы поступают на микропроцессор (вход OSC1).

В узле стабилизатора напряжения используются интегральные стабилизаторы DA1-DA3 (см. фиг.21).

В качестве блока питания используется импульсный источник питания G3 RD 3513.

Блок питания предназначен для преобразования питающего напряжения 220 В в напряжение постоянного тока плюс 12 В, минус 12 В плюс 5 В для питания БДП и БДДС.

Конструктивно блок питания выполнен в виде сменного модуля с разъемом DIN.

Промышленная применимость

Данная электронная преобразовательная аппаратура промышленно реализуема, а ее использование позволяет повысить достоверность определения параметров моделей материалов и производительность, сократить время на определение параметров моделей, т.к. испытание материалов и идентификация выполняются в одном измерительно-вычислительном комплексе.

Электронная преобразующая аппаратура (ЭПА), предназначенная для преобразования сигналов от датчиков физических величин, передачи данных в персональную электронную вычислительную машину (ПВЭМ) и управления процессом силового нагружения в подключенных устройствах, содержащая модуль датчиков перемещения (МДП) и модуль датчиков давления и силы (МДДС), к входам МДП подключены датчики перемещения, к входам МДДС-датчики давления и силы, а к первым выходам МДДС-пневмоклапаны, выходы МДП и МДДС соединены с интерфейсом RS-485 и через адаптер интерфейса RS-485/232 с СОМ-портом ПЭВМ, отличающаяся тем, что модуль датчиков перемещения МДП и модуль датчиков давления и силы МДДС содержат каждый микропроцессор, соединенный по внутреннему с портами: через порт А с первым аналого-цифровым преобразователем АЦП, через порт В со схемой адреса блока и программатором, через порт С со вторым АЦП и асинхронным последовательным портом, и двумя портами синхронным последовательным портом и универсальным последовательным асинхронным, аналого-цифровые преобразователи, соединенные через схему преобразования с входами от датчиков перемещения в МДМ и с входами от датчиков давления и силы в МДДС, а выходы микропроцессоров соединены через выходные усилители с интерфейсом RS/485, выходы микропроцессора МДДС через схему преобразования дополнительно соединены с выходами пневмоклапанов.