Многоканальный измерительный комплекс
Полезная модель относится к области автоматизации процесса измерения физических величии (силы тока, напряжения, электрического сопротивления) вольтметром В7-40/2. Техническим результатом, на достижение которого направлена заявляемая полезная модель, является высокоточные измерения в многоканальном режиме с удаленным управлением процессом измерения с персонального компьютера и возможностью задания программы измерений и возможностью представления и обработки измерительной информации в любом виде (последовательности байт, строк, таблиц и т.д.). Отличительная особенность заявляемой полезной модели в том, что в ней используются управляющий микроконтроллерный блок и блок коммутации. Микроконтроллерный блок подключается к интерфейсу ЦПУ-ДУ вольтметра В7-40/2 через согласующее устройство (конвертор) для получения измерительной информации. Микроконтроллерный блок также используется для управления вольтметром (выбора измеряемой физической величины и предела измерения), для организации записи измерительной информации в ПК через USB-интерфейс, выбора источника измерений вольтметра В7-40/2 (измерительную информацию можно считывать с восьми источников).
Полезная модель относится к области автоматизации процесса измерения электрических физических величин (силы тока, напряжения, электрического сопротивления) вольтметром В7-40/2. Измерительный прибор В7-40/2 является универсальным измерительным устройством и позволяет измерять напряжение, силу тока и электрическое сопротивление в широком диапазоне величин. Вольтметр обеспечивает высокую точность измерений. Например, для пределов измерений постоянного напряжения 20-2000 В предел допускаемой основной погрешности составляет ±(0,1+0,02(Uk/Ux -1)), где:
Uk - конечное значение установленного предела измерений,
Ux - значение измеряемого напряжения на входе (см. Вольтметр В7-40. Техническое описание и руководство по эксплуатации).
Вольтметр В7-40 изготавливается в двух модификациях: В7-40/1 с интерфейсом IEEE-488 (КОП) и В7-40/2 с выходом на цифропечатающее устройство (ЦПУ) и дистанционное управление (ДУ) по 48-битной шине (ЦПУ-ДУ).
Все модификации вольтметра В7-40 имеют несколько общих недостатков:
- нет возможности получать данные с нескольких источников автоматически;
- при изменении измерительной функции (например, с напряжения на силу тока) необходимо физически переключить источник с одного входа на другой.
Например, известна модификация вольтметра В7-40/1 с интерфейсом IEEE-488 (см. Вольтметр В7-40. Техническое описание и руководство по эксплуатации; Кузнецов В.А. и др. "Приборно-модульные универсальные автоматизированные измерительные системы", г.Москва, "Радио и связь", 1993, 304 с) имеет следующие недостатки, связанные с интерфейсом IEEE-488:
- является бит-параллельным байт-последовательным и занимает большое число линий (16 линий);
- не обладает высокой надежностью передачи данных (незащищенная физическая среда передачи данных и способ кодирования, кроме того, в случае ошибки могут быть обнаружены лишь ошибки искажения одного бита информации, ошибки связанные с искажением двух и более бит не могут быть обнаружены);
- не поддерживается современными персональными компьютерами. Наиболее близкой по технической сущности является модификация В7-40/2 с интерфейсом ЦПУ-ДУ, которая обладает недостатками, общими для вольтметров серии В7-40, но по сравнению с В7-40/1 обладает рядом преимуществ, относящихся к интерфейсу вольтметра:
- более простой способ вывода данных (всего одна линия используется для запрета/разрешения вывода данных);
- более простой способ управления вольтметром (не требуется назначение вольтметру уникального адреса, выполнение синхронизации и т.п.).
Техническим результатом, на достижение которого направлена заявляемая полезная модель, является высокоточные измерения в многоканальном режиме с удаленным управлением процессом измерения с персонального компьютера и возможностью задания программы измерений и возможностью представления и обработки измерительной информации в любом виде. Предлагаемое техническое решение позволяет устранить вышеупомянутые недостатки, автоматизировать процесс измерения, управляя выбором источника измерительной информациями, выбором измеряемой функции и предела измерения вольтметра В7-40, а также организовать обмен данными с персональным компьютером через высоконадежный современный интерфейс.
Указанный технический результат достигается тем, что в известном измерительном комплексе, содержащем вольтметр В7-40/2, микроконтроллерный блок и блок коммутации, микроконтроллерный блок выполнен с USB-интерфейсом и конвертором для подключения микроконтроллера к интерфейсу ЦПУ-ДУ вольтметра В7-40/2, а блок коммутации с возможностью подключения к вольтметру до восьми источников измерительной информации и со схемой вычисления условия для автоматического подключения выбранного источника к соответствующим входам вольтметра.
Сущность заявляемой полезной модели поясняется чертежом, где на фиг.1 изображена функциональная схема многоканального измерительного комплекса.
Многоканальный измерительный комплекс состоит из вольтметра 1, микроконтроллерного блока 2, блока коммутации 3. В свою очередь, микроконтроллерный блок 2 состоит из конвертера 4 и микроконтроллера с USB-интерфейсом 5. Блок коммутации 3 содержит схему 6 вычисления условия для автоматического выбранного источника к соответствующим входам вольтметра 1.
Основой многоканального измерительного комплекса с USB-интерфейсом на базе универсального цифрового вольтметра В7-40/2 1 является микроконтроллерный блок 2.
Микроконтроллерный блок 2 построен на микроконтроллере PIC18F4550 и предназначен:
- для выбора режимом работы вольтметра (функции и предела измерений вольтметра);
- для выбора источника, подключаемого к измерительным входам (коммутатор позволяет подключить до восьми источников);
- автоматического подключения источника к соответствующим входам В7-40/2 (сигнальный провод к входу U-R или к входу I);
- для получения измерительной информации от В7-40/2 через интерфейс ЦПУ-ДУ;
- для преобразования информации и отправки ее в персональный компьютер через USB-порт.
Для соединения универсального вольтметра В7-40/2 1 с микроконтроллером 5 используется конвертор 4, предназначенный для считывания выходной информации с интерфейса ЦПУ-ДУ в виде 32-разрядного параллельного цифрового кода в восьмиразрядные регистры конвертора. Информация, сохраненная в регистрах, передается по общей 8-разрядной шине (объединение выходов регистров реализовано с помощью буферного элемента) последовательно во времени байт за байтом в параллельный порт микроконтроллера 5 Назначение выводов и функциональные особенности интерфейса ЦПУ-ДУ представлены в техническом описании и руководстве по эксплуатации вольтметра В7-40.
Блок коммутации осуществляет подключение источника измерительной информации к входам вольтметра В7-40/2 согласно адресу выбранного источника (блок коммутации построен на базе 8-канального аналогового интегрального коммутатора). Адрес подключаемого источника задает микроконтроллер согласно команде от управляющей программы, полученной через USB-порт. Подключения источника измерительной информации к входам вольтметра В7-40/2 осуществляется в соответствии с типом измеряемой электрической физической величины (для измерения электрического напряжения и сопротивления используется вход U, R, а для измерения силы тока - вход I вольтметра B7-40/2). Выбор входа вольтметра осуществляется коммутацией источника (выхода аналогового коммутатора) к одному из двух выходов (интегральные ключи с управлением коммутацией согласно адресу на адресном входе). Для вычисления адреса подключаемого входа используется схема вычисления условия. Условие вычисляется при программировании вольтметра на измерение через интерфейс ЦПУ-ДУ. (коды программ представлены в техническом описании и руководстве по эксплуатации вольтметра B7-40).
Элементом, управляющим работой всего комплекса, является микроконтроллер 5.
В работе программы можно выделить две основные части:
- обработка служебных запросов от USB-хоста персонального компьютера, предназначенных для конфигурирования устройства (описание см. http://www.usb.org/press/articles/);
- обработка пользовательских запросов, получение параметров работы из запроса, конфигурирование вольтметра, выбор нужного источника измерительной информации, получение данных от вольтметра и отправка в ПК.
Комплекс полностью реализован таким образом, что предусмотрено его дальнейшее развитие (организация сети микроконтроллеров на одном из интерфейсов I2C, CAN, SPI или RS-485). Для управления комплексом из ОС Windows ХР написана программа, позволяющая сохранять данные в текстовом виде (.txt формат) или в виде таблиц MS Excel. Питание всего комплекса осуществляется от одного USB-порта ПК (использование дополнительных источников не требуется), потребляемый ток около 300 мА.
Многоканальный измерительный комплекс, содержащий в своем составе вольтметр В7-40/2, микроконтроллерный блок и блок коммутации, отличающийся тем, что микроконтроллерный блок содержит микроконтроллер с USB-интерфейсом и выполнен с конвертором для подключения микроконтроллера к интерфейсу ЦПУ-ДУ вольтметра В7-40/2, при этом конвертор предназначен для преобразования 32-разрядного параллельного цифрового кода выходной информации в последовательность четырех байт с последующей передачей байт в восьмиразрядный порт ввода-вывода микроконтроллера, а блок коммутации выполнен с возможностью подключения к вольтметру до восьми источников измерительной информации и содержит схему вычисления условия для автоматического подключения выбранного источника к соответствующим входам вольтметра.
