Принцип работы термопары основан на использовании эффекта Зеебека. Поскольку выходное напряжение термопары очень мало (микровольты), оно очень чувствительно к помехам. Поэтому при использовании термопары необходимо применять различные способы ослабления помех. Для улучшения «качества» сигнала термопары целесообразно применять активные аналоговые фильтры и технику защитного экранирования.
Кратко рассмотрим различные представленные на рынке специализированные модули, которые могут использоваться для обработки входных аналоговых сигналов, поступающих от термодатчиков.
Модуль аналого-цифрового ввода/вывода и преобразования информации фирмы Texas Instruments представляет собой встраиваемый в ПЭВМ модуль, построенный на основе процессора цифровой обработки сигнала TMS32020. Основные технические характеристики аналогового входа: количество разрядов – 12; общее количество каналов – 8 шт.(из них два - изолированные); время преобразования – 5,9 мкс.; амплитуда входных сигналов – +10 В; амплитуда выходных сигналов от модуля – +5 В; синхронизация – внутренняя, внешняя, от ПЭВМ; шина интерфейса с ПЭВМ – ISA.
Устройство для оперативного контроля тепловых режимов электронной вычислительной машины (Патентообладатель Понурко А. Р., 1996 г., номер заявки 94030822, осн. индекс МПК G06F11/00) предназначено для оперативного автоматического контроля тепловых режимов основных блоков и конструкций ЭВМ. При нарушении нормального теплового режима того или иного блока конструкции ЭВМ на подключенный информационный канал выдается соответствующая сигнальная информация и вырабатываются управляющие сигналы к исполнительным устройствам (в частности, дополнительным вентиляторам).
Цифровой термометр (Патентообладатель Серпуховское высшее военное командно-инженерное училище ракетных войск им.Ленинского комсомола, 1996 г. номер заявки 5055405, осн. индекс МПК G01K7/00) предназначен для точного и быстропроизводимого измерения температуры конструкций приборов и машин. Цифровой термометр обладает повышенным быстродействием за счет полезного использования информации переходного периода в процессе регулярного нагрева термочувствительного резонатора от объекта, температура которого измеряется. Алгоритм оценивания температуры реализуется в специализированном вычислителе.
Плата сбора данных фирмы National Semiconductor CAI343 построена на основе 8-разрядного АЦП ADC 0816, содержащего на кристалле аналоговый мультиплексор на 16 каналов. Время преобразования – 110 мкс. Системой используется 3 порта ввода, 3 – вывода и 2 совмещенных порта.
Модуль ввода сигнала с термопары с расширенными диапазонами (I-7011P, НПО «ИКОС», Российская Федерация) представляет собой устройство в отдельном корпусе, подключаемое к ЭВМ по интерфейсу RS-485. Количество каналов аналогового ввода – 1. Разрядность используемого АЦП – 16 бит. Условия эксплуатации: от -20°С до +70°С. Тип подключаемых датчиков: термопары типа J (от -100°С до +760°С), K (от -100°С до +1370°С), T (от -100°С до +400°С), E (от 0 до 1000°С), R (от 500°С до 1750°С), S (от 500°С до 1750°С), B (от 500°С до 1800°С), N (от -270°С до +1300°С), C (от 0 до 2320°С), L (от -200°С до +800°С), M (от -200°С до +100°С).
Подводя итог вышеизложенному, необходимо отметить, что в настоящее время сложившийся отечественный рынок измерительных средств в секторе проектирования ЭВМ остается ненасыщенным для недорогой автоматизированной системы исследования тепловых режимов конструкций ЭВМ, чем еще раз подтверждается актуальность данного проекта.
3 ВЫБОР И ОБОСНОВАНИЕ СТРУКТУРНОГО ПОСТРОЕНИЯ СИСТЕМЫ И ФОРМУЛИРОВАНИЕ ТРЕБОВАНИЙ К ЁЁ СТРУКТУРНЫМ КОМПОНЕНТАМ. АНАЛИЗ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ ТЕХНИЧЕСКИХ И ПРОГРАММНЫХ СРЕДСТВ
Разрабатываемая система конструктивно представляет собой встраиваемый в ПЭВМ модуль. Учитывая высокую производительность современных ПЭВМ целесообразно переложить на персональный компьютер выполнение основных функций обработки сигнала в проектируемой системе. Таким образом, затраты на построение аппаратных средств модуля будут минимизированы. Сам модуль будет выполнять функции первичной обработки входных сигналов и обеспечивать поступление информации в ПЭВМ (например, через механизм прерываний). При таком подходе существенно упрощаются задачи по проектированию аппаратных средств системы, интерфейса между модулем и ПЭВМ. Как недостаток – усложняется разработка программного обеспечения. Но учитывая предъявленные технические требования к системе (относительно большое количество входных каналов, требуемый интерфейс с ПЭВМ и т. п.), и, как следствие, достаточно большой объем электронного оборудования, такой подход в заданных условиях представляется наиболее рациональным.
Руководствуясь функционально-модульным подходом в проектировании системы, все аппаратные средства модуля аналого-цифрового преобразования можно укрупненно разбить на четыре части (датчики условно отнесем к самостоятельной структурной единице). К первой части (входной блок) можно отнести аппаратуру, на которую непосредственно поступают сигналы от датчиков. Этот блок должен выполнять соответствующие функции: первичное усиление и фильтрация сигнала, коммутация каналов. Следовательно, аппаратура блока будет представлена фильтрующими и усилительными схемами, аналоговым коммутатором каналов, его схемой управления.
Ко второму блоку (с точки зрения структурного построения системы) можно отнести совокупность технических средств, задачей которых является осуществление аналого-цифрового преобразования. Данный блок целесообразно построить по классической схеме преобразователя напряжение – код. Такой выбор осуществлен в связи с тем, что 1) данная схема будет удовлетворять временным параметрам системы; 2) для дистанционных систем сбора данных наиболее оптимальным является именно такой вариант преобразования [4]; 4) дальнейшая обработка выходного сигнала от такой схемы (модуля вообще) является наиболее приемлемой с точки зрения объема дополнительной аппаратуры для преобразования и обработки сигнала.
Выбор разрядности преобразователя будет определяться точностными требованиями к системе, изложенными в техническом задании на разработку.
Укрупненно данный блок включает в себя следующие функциональные части: регистр последовательного приближения, цифро-аналоговый преобразователь, операционный усилитель, компаратор, генератор тактовых импульсов и схему запуска.
Третий блок проектируемого модуля системы представляет собой аппаратные средства, предназначенные для сопряжения устройства с персональным компьютером. Основные функции данного блока: 1) преобразование последовательного кода, поступающего с выхода блока аналого-цифрового преобразования, в параллельный; 2) осуществление дешифрации базового адреса и адресов регистров устройства; 3) формирование управляющих сигналов для выбора канала и работы преобразователя; 4) буферизация используемых сигналов шины микро-ЭВМ; 5) вспомогательные функции по синхронизации работы составных частей устройства и генерация сигнала вектора прерывания.
Аппаратура, предназначенная для согласования логических уровней составных частей устройства составляет четвертый аппаратный блок разрабатываемого модуля.
Таким образом, теперь можно сформулировать основные требования к структурным компонентам системы (некоторые из них исходят из описанного выше предназначения аппаратных средств).
Применяемые термодатчики должны удовлетворять предъявленным в ТЗ требованиям по диапазону измеряемых температур, погрешности измерения, а также конструктивным требованиям (установка датчиков должна осуществляться на поверхность ИМС и конструктивных элементов ЭВС).
Входной блок должен обеспечивать первичную обработку сигнала (усиление, фильтрация) и коммутацию входных каналов. То есть так обработать сигнал, чтобы его можно было передавать на блок аналого-цифрового преобразования. Необходимо стремиться к минимизации времени переключения канала и ослаблению взаимного влияния сигналов из разных каналов.
Главными требованиями, предъявляемыми к блоку аналого-цифрового преобразования являются точность и время преобразования.
Блок сопряжения устройства с ПЭВМ должен обеспечивать интерфейс между модулем и персональным компьютером по стандарту ISA, выполнять вспомогательные функции по буферизации используемых сигналов шины модуля и синхронизации работы составных частей устройства.
Блок согласования и развязки должен осуществлять функции сопряжения составных частей устройства.
Необходимо отметить, что следует добиваться минимальной «паразитной» задержки сигнала во всех составных частях устройства (изначально определяющими являются задержки в блоке аналого-цифрового преобразователя и коммутатора, однако применяемая элементная база может внести существенные коррективы во временной баланс [4]).
Как уже было отмечено выше, основная логическая обработка сигнала в разрабатываемой системе возлагается на средства ПЭВМ, в которую встраивается проектируемый модуль.
Реализация вышеизложенных положений по структурному построению аппаратных средств разрабатываемого модуля приведена на схеме электрической структурной БГУИ.411117.001Э1.
После выбора и обоснования структурного построения разрабатываемой системы следует определить те конструкторские расчеты, которые необходимо выполнить в процессе проектирования.
Проведение того или иного конструкторского расчета обуславливается тремя факторами: 1) заданными в ТЗ количественными требованиями к разработке, выполнение которых необходимо подтвердить (в частности, параметры надежности и технологичности); 2) необходимостью получения численных данных для проектирования (конструктивно-технологический и электрический расчеты элементов печатного монтажа (ЭПМ)); 3) математической проверкой принятых инженерных решений (расчет вибропрочности).