2015-10-14
801
При построении измерительных систем цифровой обработки сигналов (ЦОС) для сбора и обработки данных, контроля и управления, особенно связанных с функционированием в производственных условиях, разработчикам приходится сталкиваться с необходимостью обеспечения гальванической развязки измерительных цепей, цепей ввода/вывода данных, с одной стороны, и цепей персонального компьютера, а также цепей цифровой обработки сигналов, с другой. При этом решаются следующие основные задачи:
· Защита цепей компьютера от воздействия электрических напряжений и токов. Это важно при эксплуатации оборудования в условиях, связанных с возможным влиянием на него несанкционированных электромагнитных воздействий, с невозможностью обеспечения качественного заземления и т. п., например, в цехах промышленных предприятий, на транспорте, а также в условиях, где возможно возникновение субъективного фактора “человеческой” ошибки, приводящей к выводу дорогостоящего оборудования из строя.
· Защита пользователя от возможного электрического удара. Необходимость подобной защиты возникает при опасности воздействия электрического удара, опасного для здоровья человека, например, при построении систем медицинской диагностики.
|
|
|
· Обеспечение необходимой помехозащищённости. Эта проблема актуальна при построении измерительных прецизионных систем, например, в научных исследованиях, метрологических лабораториях и так далее.
В настоящее время наиболее широкое распространение получили схемы, использующие два варианта гальванической развязки:
· трансформаторной;
· оптоэлектронной.
Гальваническая развязка трансформаторного типа предполагает использование магнитоиндукционного элемента с сердечником или без него, напряжение Uвых на вторичной обмотке которого пропорционально напряжению Uвх на входе устройства. При применении трансформаторной гальванической развязки необходимо учитывать следующие её недостатки:
· несущий сигнал может создавать помехи, влияющие на выходной сигнал развязки;
· полоса пропускания ограничена частотой модуляции развязки;
· сравнительно большие габаритные размеры компонентов, реализующих развязку.
В настоящее время в связи с развитием технологии полупроводниковых устройств расширяются возможности по использованию оптоэлектронных развязывающих устройств, оптических вентилей (оптронов). Принцип работы оптрона проиллюстрирован на рис. 1. Светоизлучающий диод, p-n-переход которого смещён в прямом направлении, излучает свет, воспринимаемый фототранзистором. Таким образом, осуществляется гальваническая развязка цепей, связанных со светодиодом, с одной стороны, и с фототранзистором, с другой.
|
|
|
Рис. 1. Принцип работы оптрона
К достоинствам оптоэлектронных развязывающих устройств можно отнести:
· способность осуществлять развязку в широком диапазоне напряжений, в том числе до величины 500 В, что является значением, принятым при реализации систем ввода данных;
· возможность передавать сигналы на высокой частоте (до десятков МГц);
· малые габаритные размеры.
В данной статье обобщён положительный опыт создания систем ЦОС с гальваноразвязкой в ЗАО “Л-КАРД”. Основанием для этого является не только субъективная причина лучшего знакомства авторов с этими изделиями, но и ряд объективных факторов. В нашей стране основное серийное производство электроники для систем сбора данных на базе ЦОС для сторонних потребителей сосредоточено в ЗАО “Л-КАРД”, Центре АЦП “Руднев-Шиляев”, АОЗТ “Инструментальные системы” и ЗАО “Компания Сигнал”. Отечественные устройства ЦОС с гальваноразвязкой на начало IV квартала 1999 года поставляли лишь ЗАО “Л-КАРД” и Центр АЦП ЗАО “Руднев-Шиляев”. В то время как Центр АЦП ЗАО “Руднев-Шиляев” предлагает лишь несколько типов встраиваемых плат с гальваноразвязкой на шину ISA, в номенклатуре ЗАО “Л-КАРД” представлен весьма широкий спектр исполнения изделий (встроенные платы на шины ISA и PCI, внешний модуль АЦП, модули крейтовой системы). Кроме того, важным фактором продвижения систем ЦОС в нашей стране является цена изделия при условии соблюдения гарантированного качества продукции. В этом отношении изделия ЗАО “Л-КАРД” являются показательными. Это обусловлено тем, что:
· производственная программа изделий исчисляется сотнями штук при практическом отсутствии рекламаций;
· ведётся систематическая работа по сертификации изделий из модульной системы LTC;
· цена измерительного канала ниже, чем у потенциальных конкурентов.
Основные характеристики упоминаемых изделий приведены в таблице.
Таблица
| Устройство | Интерфейс/скорость передачи данны | Уровень подавления индуст-риальных помех, дБ | Максималь-ная частота преобразо-вания | Тип гальвани ческой развязки | Напря-жение развязки, В | Цена измери-тельного канала, у.е. |
| Плата АЦП L-264 | ISA/200-300 кСлов/сек. | 200 кГц | Групповая | 7,5 | ||
| Плата АЦП L-761 | PCI/до 10 Мбайт/с | 125 кГц | Групповая | |||
| Модуль системы LTC LC-227 | Шина крейтовой системы LTC | 100 кГц | Полная, канальная | |||
| Модуль системы LTC LC-111 | Шина крейтовой системы LTC | 50 кГц | Групповая | |||
| Внешний модуль АЦП Е-24 | СОМ порт/до 57600 бод на кабеле дл 1,8 м | 1 кГц | Групповая |
В системах сбора данных компании “Л-КАРД” нашли применение как трансформаторный, так и оптоэлектронный способы реализации гальванической развязки. Трансформаторный тип применяется для развязки линий электропитания, что даёт возможность создания источников вторичного питания устройств. Оптоэлектронные компоненты используются для развязки сигнальных магистралей.
Наиболее показательными с точки зрения развития и практической реализации схемы гальванической развязки являются платы сбора данных на шину ISA и PCI (соответственно, L-264 и L-761).
Гальваническая развязка плат ввода/вывода большинства производителей средств сбора данных используется для согласования интерфейсных линий шины данных персонального компьютера и узлов самой платы. Обычно при использовании параллельного способа передачи данных между шиной компьютера и платой ввода/вывода введение гальванической развязки понижает надёжность и увеличивает стоимость системы. Это обусловлено необходимостью использования для развязки информационных линий шины большого количества оптронов, представляющих собой наиболее уязвимые с точки зрения надёжности, и дорогие с точки зрения цены элементы.
|
|
|
Для частичной компенсации упомянутых недостатков введения гальваноразвязки специалистами компании “Л-КАРД” предложен и реализован иной способ управления гальванической развязкой, предполагающий использование меньшего числа оптронов и, следовательно, гарантирующий более высокую надёжность и низкую стоимость устройства. Он основан на применении частичного мультиплексирования линий связи между компьютером и платой ввода/вывода. Такой подход даёт возможность уменьшить необходимое количество гальваноразвязанных магистралей передачи данных и оптоэлектронных компонентов развязки.
В частности, обмен данными между опторазвязанными элементами системы в платах L-264 осуществляется потетрадно, а в платах L-761 — побитно. Управление передачей данных через гальваническую развязку в первом случае осуществляется сигнальным процессором ADSP2184/85, а во втором — микроконтроллером AVR90S2313 фирмы Atmel.
Рис. 2. Структурная схема платы L-264
В основе построения АЦП/ЦАП L-264 из семейства плат на шину ISA, структурная схема которой приведена на рис. 2, лежит идея гальванического разделения как аналоговых, так и цифровых узлов ввода/вывода и цепей персонального компьютера. Её реализация даёт возможность осуществить полную гальваническую развязку не только АЦП и ЦАП, но и цифровых блоков обмена данными. При этом в плате L-264 применена оптоэлектронная развязка сигнальных проводников и трансформаторная — цепей вторичного питания схемы.
Находящийся на плате сигнальный процессор ADSP2105 фирмы Analog Devices производит цифровую обработку измеряемого сигнала, управляет вводом/выводом сигналов и обменом информацией с ПК, а также контролирует работу оптронов гальваноразвязки.
Дальнейшего совершенствования системы гальванической развязки удалось добиться в платах АЦП/ЦАП L-761. Её структурная схема дана на рис. 3. Функционально она разделена на две гальваниче-ски развязанные части. На опторазвязанной с компьютером стороне находятся микроконтроллер AVR, который обеспечивает функционирование последовательного АЦП AD7894 и цепей коммутации входных сигналов, и ЦАП AD7294, управляемый непосредственно цифровым сигнальным процессором (ЦСП). Кроме того, микроконтроллер AVR управляет цепями коммутатора входных сигналов, коэффициентом усиления программируемого усилителя, частотой запуска АЦП и, при необходимости, синхронизацией ввода данных.
|
|
|
Рис. 3. Структурная схема платы L-761
На другой стороне опторазвязки расположен контроллер PCI (микросхема PCI9050-1), обеспечивающая обмен данными с компьютером через интерфейс PCI, цифровой сигнальный процессор (ЦСП), а также разъём для внешних цифровых линий. ЦСП осуществляет получение данных с АЦП, управление работой микроконтроллера AVR с помощью одного из своих последовательных портов SPORT0, обеспечивает также взаимодействие с микросхемой двухканального ЦАП через последовательный порт SPORT1 и управление внешними цифровыми линиями.
Использование ЦСП позволяет производить цифровую обработку входных аналоговых сигналов в режиме реального времени. При этом аппаратные и программные ресурсы персонального компьютера не задействуются в процессе преобразования и обработки сигнала. Применение цифровых сигнальных процессоров фирмы Analog Devices ADSP2184/85, снабженных каналом IDMA (Internal Data Memory Access), дало возможность отказаться от режима Bus-master за счёт использования прямого доступа к памяти сигнального процессора, выполняющего в этом режиме функции двухпортового ОЗУ. За счёт этого уменьшена цена плат без заметного снижения скорости обмена данными по системной магистрали.
Рис. 4. Фрагменты принципиальных схем приемника (а) и передатчика (б) гальванической развязки информационных сигналов
На рис. 4а и 4б приведены, соответственно, фрагменты принципиальных схем приёмника и передатчика сигналов с гальванической развязкой. В качестве развязывающего узла схемы L-761 использована оптопара HCPL-2630 фирмы Hewlett Packard, обладающая наилучшими быстродействием, временной и температурной стабильностью.
Гальваническая развязка входных цепей платы и цепей персонального компьютера предполагает использование вторичного источника питания, выполненного на основе трансформаторного преобразователя напряжения VCC (+5 В) и +12 В, формируемого источником питания персонального компьютера, в гальванически не связанные с ним напряжения VCE (+5 В), +V (+15 В) и -V (-15 В). Его принципиальная схема приведена на рис. 5.
Рис. 5. Приниципиальная схема вторичного источника питания трансформаторного типа платы L-761
Приведенная схема, обладая малыми габаритными размерами и массой, имеет КПД, достаточный для питания входных аналоговых цепей схемы.
Замечание: Особенностью платы L-761 является использование вместо дискретных логических элементов, установленных на плате L-264, контроллера фирмы Atmel AVR AT90S2313, позволяющее осуществить последовательный высокоскоростной обмен данными между гальванически развязанными узлами только по двум линиям. За счёт такого технического решения, по сравнению с платами L-264, вдвое уменьшается количество оптронов, необходимое для передачи данных, что значительно упрощает конструкцию, повышает её надёжность и удешевляет стоимость платы.
Дальнейшее развитие методы гальванической развязки нашли в модулях крейтовой контрольно-измерительной системы LTC.
Модульные контрольно-измерительные системы предназначены для реализации систем сбора данных, выполнения операций управления и контроля в промышленности, а также сбора и обработки результатов экспериментов и испытаний. При этом во многих случаях оказывается эффективным применение измерительных модулей и модулей ввода/вывода цифровых сигналов, управляемых персональными компьютерами в обычном или промышленном исполнении.
ЗАО “Л-КАРД” разработало и поставляет подобные системы в корпусах на базе крейтов серии LTC, подключаемых к ПК при помощи крейт-контроллеров, которые обеспечивают управление процессами измерений и передачи данных с установленных в крейте модулей.
Вся номенклатура модулей, предлагаемых для построения системы сбора и обработки информации на базе LTC крейтов, включает более 30 изделий, которые позволяют построить специализированные системы для тензометрии и виброизмерений, снимать данные с термопар и терморезисторов, осуществлять ввод аналоговых и цифровых сигналов, осуществлять управление реле, реализовывать частотные измерения и функции генератора сигналов.
Среди них модули LC-111 и LC-227 содержат гальваническую развязку, причём, в модуле LС-111 реализована полная групповая развязка, подразумевающая гальваническое раз-деление предварительно мультиплексированного и оцифрованного входного сигнала, а в модуле LС-227 — полная поканальная развязка, при которой входные аналоговые сигналы не мультиплексируются, а каждый из каналов имеет собственный АЦП и гальваническую развязку.
Модуль LC-111, структурная схема которого приведена на рис. 6, осуществляет коммутацию 16 дифференциальных или 32 синфазных входных аналоговых сигналов, их усиление и преобразование в цифровой код.
Рис. 6. Приниципиальная схема индивидуаьной гальванической развязки каналов модуля LC-227
Функционирование модуля имеет ряд особенностей:
· управление коммутатором производится через цифровую шину крейта;
· коэффициент усиления усилителя управляется программно;
· для сохранения калибровочных коэффициентов усилителя предусмотрено программируемое ПЗУ.
При выполнении гальванической развязки узлов LC-111 использовались проверенные методы, применяемые в платах АЦП/ЦАП L-264 и L-761.
Принципиальная схема оптоэлектронной развязки сигнальных линий приведена на рис. 4.
Гальваническое разделение питающих магистралей производится с помощью преобразователя трансформаторного типа, формирующего напряжения питания +5 В, +V и -V.
Модуль LC-227 предназначен для установки в крейт LTC и представляет собой 8-канальный усилитель-преобразователь сигналов датчиков с индивидуальной гальванической развязкой каждого канала. Он используется для измерения параметров термопар, терморезисторов и токов. Принципиальная схема модуля дана на рис. 6. Его работа основана на преобразовании аналогового входного сигнала в цифровую последовательность с частотой, пропорциональной величине входного сигнала. В качестве АЦП использованы преобразователи напряжения в частоту (ПНЧ) AD654 фирмы Analog Devices. Применение ПНЧ позволяет повысить точность аналого-цифрового преобразования без повышения требований к характеристикам источника вторичного питания.
При использовании модуля введена индивидуальная калибровка каналов преобразования. Значения калибровочных коэффициентов при этом записываются в ППЗУ модуля.
Замечание: Особенностью гальванической развязки модуля LC-227 является то, что последовательности выходных сигналов АЦП каждого из каналов передаются посредством оптронной пары на вход процессора цифровой обработки сигналов, осуществляющего аналого-цифровое преобразование путём подсчёта числа импульсов АЦП за единицу времени. Введение оптронной развязки в каждый из каналов преобразования даёт возможность повысить помехозащищённость схемы по сравнению с модулями LC-111. Гальваническая развязка модуля LC-227 выдерживает постоянное напряжение 500 В между любым из входов и корпусом прибора, или между входами любой пары каналов в любой модификации модуля.
И, наконец, наиболее совершенная гальваническая развязка, с точки зрения своего технического во-площения, нашла применение при построении внешних модулей АЦП типа E-24, функционирующих под управлением последовательного порта RS232.
Модуль содержит 8 каналов сигма-дельта АЦП разрядностью 22 бит, работающего с максимальной частотой преобразования 1 кГц. В нём предусмотрено программное изменение коэффициента усиления от 1 до 128.
Особенностью модуля является то, что он не требует внешнего источника питания. Питание модуля производится непосредственно от линий квитирования RTS и DTR порта RS232. При этом вторичный источник питания выполнен по схеме с трансформаторной развязкой и имеет максимальное потребление в режиме холостого хода не более 150 мкА. Такое малое потребление достигнуто за счёт использования высокочастотного задающего генератора трансформаторной развязки и высокоэффективных преобразовательных устройств типа charge-pump, выполненных на основе DC-DC преобразователей ADM663 фирмы Analog Devices.
Для уменьшения тока, потребляемого гальванической развязкой сигнальных проводников, использована схема типа push-pull, приведённая на рис. 7.
Рис. 7. Гальваническая развязка сигнальных проводников внешнего модуля Е-24
Благодаря удачным техническим решениям, использованным в модулях E-24, достигнут рекорд потребления среди устройств подобного класса всего в 4 мА в режиме полной загрузки.
Таким образом, проведённый анализ устройств сбора и обработки данных показал, что в настоящее время на российском рынке отечественными производителями достаточно широко представлены конкурентоспособные устройства ЦОС с гальванической развязкой, позволяющие создавать необходимые системы измерения, диагностики и контроля для тех применений, где от оборудования требуется высокая помехоустойчивость, надёжность и безопасность.
Билет 18. Процессорный модуль промышленного контроллера: назначение, характеристики, иерархия, типовой состав вспомогательных элементов.
Типовой состав ПЛК включает центральный процессор, память, сетевые интерфейсы и устройства ввода-вывода.
Типовая архитектура ПЛК
Иногда эта конфигурация дополняется устройством для программирования и пультом оператора, устройствами индикации, реже - принтером, клавиатурой, мышью или трекболом.
Процессорный модуль включает в себя микропроцессор (центральное процессорное устройство - ЦПУ), запоминающие устройства, часы реального времени и сторожевой таймер. Термины "микропроцессор" и "процессор" в настоящее время стали синонимами, поскольку все вновь выпускаемые процессоры выполняются в виде СБИС, т.е. являются микропроцессорами.
Основными характеристиками микропроцессора являются разрядность (в ПЛК используются 8-ми, 16-ти и 32-разрядные микропроцессоры), тактовая частота, архитектура, наличие операций с плавающей точкой, типы поддерживаемых портов ввода-вывода, температурный диапазон работоспособности и потребляемая мощность.
Производительность микропроцессоров с одной и той же архитектурой пропорциональна тактовой частоте. Большинство контроллеров используют микропроцессоры с сокращенным набором команд (RISC - Reduced Instruction Set Computing), в которых используется небольшое количество команд одинаковой длины и большое количество регистров. Сокращенный набор команд позволяет строить более эффективные компиляторы и конвейер процессора, способный за каждый такт выдавать результат исполнения очередной команды.
Для контроллеров, выполняющих интенсивную математическую обработку данных, важно наличие математического сопроцессора (вспомогательного процессора, выполняющего операции с плавающей точкой) или сигнальных процессоров, в которых операции типа Y=A*B+X выполняются за один такт. Сигнальные процессоры позволяют ускорить выполнение операций свертки или быстрого преобразования Фурье.
Емкость памяти определяет количество переменных (тегов), которые могут быть обработаны в процессе функционирования ПЛК. В микропроцессорах время доступа к памяти является одним из существенных факторов, ограничивающих быстродействие. Поэтому память делят на несколько уровней иерархии, в зависимости от частоты использования хранящихся в ней данных и быстродействия. Иерархия памяти относится к существенным характеристиками архитектуры процессора, поскольку она позволяет снизить отрицательное влияние медленной памяти на быстродействие микропроцессора. Основными типами памяти является постоянное запоминающее устройство (ПЗУ), оперативное запоминающее устройство (ОЗУ) и набор регистров. Регистры являются самыми быстродействующими элементами памяти, поскольку они используются арифметико-логическим устройством (АЛУ) для исполнения элементарных команд процессора. ПЗУ используют для хранения редко изменяемой информации, такой, как операционная система, драйверы устройств, загрузчик, исполняемый модуль программы пользователя. ОЗУ используется для хранения данных, которые многократно изменяются в процессе работы контроллера, например, значения тегов, результаты промежуточных вычислений, диагностическая информация, массивы, выводимые на графики, данные для отображения на дисплее.
В качестве ПЗУ (или ROM - "Read Only Memory") обычно используется электрически стираемая перепрограммируемая память (EEPROM - "Electrically Erasable Programmable ROM". Разновидностью EEPROM является флэш-память, принцип действия которой основан на хранении заряда в конденсаторе, образованном плавающим затвором и подложкой МОП-транзистора. Особенностью флэш-памяти является ее энергонезависимость, т.е. сохраняемость данных при выключенном питании. Стирание и перезапись во флэш-памяти выполняется не отдельными ячейками, а большими блоками, поэтому она получила название, происходящее от английского "flash" - "вспышка". Недостатком всех ПЗУ является низкое быстродействие.
Количество циклов записи информации во флэш-память ограничено и составляет несколько десятков тысяч раз. По конструктивному исполнению и интерфейсам флэш-память подразделяется на Compact Flash (CF), Memory Stick, Secure Digital (SD), MuliMediaCard (MMC), RS-MMC, SmartMedia Card (SMC), USB-flash. Флэш-память может быть впаяна в печатную плату или быть съемной.
В качестве ОЗУ современные микропроцессоры используют статическую память (SRAM - Static Random Access Memory) и динамическую (DRAM - "Dynamic Random Access Memory"), SDRAM ("Synchronous DRAM"). SRAM выполняется на триггерах, информация в которых сохраняется неограниченно долго при наличии питания. В динамической памяти информация хранится на конденсаторах и поэтому DRAM требует периодической регенерации (перезарядки конденсаторов). К недостаткам триггерной памяти относится ее высокая стоимость, связанная с низкой плотностью компоновки триггеров на кристалле, и малое отношение емкости к цене. Достоинством является высокое быстродействие, достигающее гигагерц, в то время как память на конденсаторах не может работать на частотах выше сотен герц. Оба типа памяти (DRAM и SRAM) не могут сохранять информацию при отключении питания ПЛК. Поэтому некоторые типы ПЛК используют батарейное питание памяти для сохранения работоспособности системы автоматизации после кратковременного прерывания питания.
Моноблочные и модульные контроллеры используют, как правило, параллельную шину для обмена данными с модулями ввода-вывода, что позволяет на порядок повысить быстродействие их опроса по сравнению с последовательной шиной. Параллельные шины могут быть стандартными (ISA, PC/104, PCI, ComactPCI, VME, CXM) или частнофирменными. Последовательная шина контроллера (на основе интерфейса RS-485) используется для подключения к нему удаленных (распределенных) модулей ввода-вывода.
Программирование контроллеров малой мощности выполняется с помощью кнопок, расположенных на лицевой панели или с помощью переносного пульта для программирования. В качестве пульта в последнее время используется компьютер формата "ноутбук". Программирование мощных контроллеров выполняется с помощью персонального компьютера, на котором устанавливается специальное программное обеспечение, например CoDeSys или ISaGRAF, выполняющее трансляцию технологического языка стандарта МЭК 61131-3 в исполняемый код процессора, который загружается в ПЗУ ПЛК, например, через порт Ethernet.
Сторожевой таймер (Watchdog Timer - WDT) представляет собой счетчик, который считает импульсы тактового генератора и в нормальном режиме периодически сбрасывается (перезапускается) работающим процессором. Если процессор "зависает", то сигналы сброса не поступают в счетчик, он продолжает считать и при достижении некоторого порога вырабатывает сигнал "Сброс" для перезапуска "зависшего" процессора.
Часы реального времени (РВ) представляют собой кварцевые часы, которые питаются от батарейки и поэтому продолжают идти при выключенном ПЛК. Часы РВ используются, например, для управления уличным освещением в зависимости от времени суток, в системах охраны объектов и других случаях, когда необходима привязка данных или событий к астрономическому времени.
Билет 19. Модули дискретного ввода и вывода промышленного контроллера: назначение, классификации, основные схемные решения, характеристики, принцип работы, схемы подключения.
