Разработка телекоммуникационной системы для поддержки научно-исследовательской деятельности ИО (стр. 4 из 8)

3) Последним рассмотрим датчик производства компании Falmouth FSI OEMNXICCT (Рис. 12)

Рисунок 12. Датчик FSI OEMNXICCT

Электропроводность Диапазон 0..90 mS/cм

Погрешность 0.005 mS/cm

Стабильность 0.0005 mS/cm/month

Температура: Диапазон -5..45 C

Погрешность 0.005 C

Стабильность 0.0005 C/month

Частота измерений до 5 Hz

Этот датчик, по сравнению с другими, обладает целым рядом преимуществ.

Во-первых это экран препятствующий обрастанию. Учитывая специфику области его применения, эта особенность ставит его на весьма выгодную позицию. У этого датчика очень удобная и интуитивно понятная система команд. Из всех рассмотренных датчиков, этот обладает наивысшей точностью и стабильностью и частотой измерений. Унифицированный интерфейс (подключатся по интерфейсу RS232) позволяет производить легкую настройку датчика без установки дополнительных программных средств.

Все вышеперечисленные преимущества склоняют к выбору в пользу данного датчика.

1.4 Разработка структурной схемы

На структурной схеме устройства необходимо изображать все основные функциональные части. Структурная схема проектируемой подсистемы сбора ГФП разрабатывалась с учетом особенностей применяемого первичного преобразователя и с возможностью дальнейшей модернизации, которая заключается в подключении к устройству различных первичных преобразователей.

Структурная схема приведена ниже на рис. 13.

Рисунок 13. Структурная схема подсистемы сбора ГФП.

Датчики, входящие в состав подсистемы сбора ГФП должны соответствовать следующим характеристикам:

Датчик электропроводности / солености

Диапазон измерения	0..90 mS/cм
Погрешность	0.005 mS/cm
Стабильность	0.0005 mS/cm/month

Датчик температуры.

Диапазон измерения	-5..45° C
Погрешность	0.005° С
Стабильность	0.0005° C/month

Датчик давления.

Диапазон измерения	0–500 м
Погрешность	0.04%

Флюорометр.

Диапазон измерения	0–6000 м
Погрешность	±0.02μg/l

Мутномер (Turbidity Meter)

Диапазон измерения	0–6000 м
Погрешность	±0.01 NTU

Акустический измеритель течения

Компас

Диапазон измерения	30°
Погрешность	2°

Угол наклона

Диапазон измерения	20°
Погрешность	0.2°

Скоростьтечения

Диапазон измерения	3 м/с
Погрешность	1°
Частота измерения	1Нz

К тому же для избегания потери данных при длительном отсутствии связи с береговым РЦ и для работы обсерватории в автономном режиме, должна осуществляться запись показаний датчиков на цифровой носитель информации.

1.5 Обоснование выбора периферийных компонентов подсистемы сбора гидрофизических параметров

Для разработки подсистемы сбора гидрофизических параметров необходимо было выбрать элементную базу и целый ряд периферийных компонентов.

После того, как был определен тип используемого в системе датчика и сформулированы требования к периферийным компонентам системы, начались поиски соответствующего микроконтроллера для обработки показаний датчиков и выполнения пользовательской программы.

Было найдено значительное количество схожих по своим характеристикам микроконтроллеров (PIC, Atmel), поэтому пришлось ужесточить условия поиска и отбирать микроконтроллер не только по его характеристикам, но и оценивать имеющиеся на базе этих микроконтроллеров средства разработки, которые бы максимально сокращали время и ресурсы, затраченные на проектирование собственного устройства.

В результате поиска решение было найдено на базе микроконтроллера Atmel ATmega 128. Оно представляет собой системную плату для разработчика, в которой присутствовало все необходимое для создания на ней прототипа для системной платы подсистемы сбора гидрофизических параметров. После того, как плата была модернизирована, была подготовлена принципиальная электрическая схема системной платы.

ATmega128 – маломощный 8-разр. КМОП микроконтроллер, основанный на расширенной AVR RISC-архитектуре. За счет выполнения большинства инструкций за один машинный цикл ATmega128 достигает производительности 1 млн. операций в секунду/МГц, что позволяет проектировщикам систем оптимизировать соотношение энергопотребления и быстродействия.

Рисунок 14 – Функциональная схема

Ядро AVR сочетает богатый набор инструкций с 32 универсальными рабочими регистрами. Все 32 регистра непосредственно подключены к арифметико-логическому устройству (АЛУ), который позволяет указать два различных регистра в одной инструкции и выполнить ее за один цикл. Данная архитектура обладает большей эффективностью кода за счет достижения производительности в 10 раз выше по сравнению с обычными CISC-микроконтроллерами.

ATmega128 содержит следующие элементы: 128 кбайт внутрисистемно программируемой флэш-памяти с поддержкой чтения во время записи, 4 кбайт ЭСППЗУ, 4 кбайт статического ОЗУ, 53 линии универсального ввода-вывода, 32 универсальных рабочих регистра, счетчик реального времени (RTC), четыре гибких таймера-счетчика с режимами сравнения и ШИМ, 2 УСАПП, двухпроводной последовательный интерфейс ориентированный на передачу байт, 8-канальный 10-разр. АЦП с опциональным дифференциальным входом с программируемым коэффициентом усиления, программируемый сторожевой таймер с внутренним генератором, последовательный порт SPI, испытательный интерфейс JTAG совместимый со стандартом IEEE 1149.1, который также используется для доступа к встроенной системе отладке и для программирования, а также шесть программно выбираемых режимов уменьшения мощности. Режим холостого хода (Idle) останавливает ЦПУ, но при этом поддерживая работу статического ОЗУ, таймеров-счетчиков, SPI-порта и системы прерываний. Режим выключения (Powerdown) позволяет сохранить содержимое регистров, при остановленном генераторе и выключении встроенных функций до следующего прерывания или аппаратного сброса. В экономичном режиме (Power-save) асинхронный таймер продолжает работу, позволяя пользователю сохранить функцию счета времени в то время, когда остальная часть контроллера находится в состоянии сна. Режим снижения шумов АЦП (ADC Noise Reduction) останавливает ЦПУ и все модули ввода-вывода, кроме асинхронного таймера и АЦП для минимизации импульсных шумов в процессе преобразования АЦП. В дежурном режиме (Standby) кварцевый / резонаторный генератор продолжают работу, а остальная часть микроконтроллера находится в режиме сна. Данный режим характеризуется малой потребляемой мощностью, но при этом позволяет достичь самого быстрого возврата в рабочий режим. В расширенном дежурном режиме (Extended Standby) основной генератор и асинхронный таймер продолжают работать.

Микроконтроллер производится по технологии высокоплотной энергонезависимой памяти компании Atmel. Встроенная внутрисистемно программируемая флэш-память позволяет перепрограммировать память программ непосредственно внутри системы через последовательный интерфейс SPI с помощью простого программатора или с помощью автономной программы в загрузочном секторе. Загрузочная программа может использовать любой интерфейс для загрузки прикладной программы во флэш-память. Программа в загрузочном секторе продолжает работу в процессе обновления прикладной секции флэш-памяти, тем самым поддерживая двухоперационность: чтение во время записи. За счет сочетания 8-разр. RISC ЦПУ с внутрисистемно самопрограммируемой флэш-памятью в одной микросхеме ATmega128 является мощным микроконтроллером, позволяющим достичь высокой степени гибкости и эффективной стоимости при проектировании большинства приложений встроенного управления.

ATmega128 поддерживается полным набором программных и аппаратных средств для проектирования, в т.ч.: Си-компиляторы, макроассемблеры, программные отладчики / симуляторы, внутрисистемные эмуляторы и оценочные наборы.

Для записи показаний датчиков был выбран тип флеш-памяти SD.

Это обусловлено:

· размером флеш-памяти;

· низким энергопотреблением;

· низкой стоимостью носителей;

· способом записи (SD – карты имеют встроенный контроллер, который производит обнаружение и исправление ошибок и старается равномерно использовать ресурс перезаписи флеш-памяти).

1.6 Разработка алгоритма работы подсистемы сбора гидрофизических параметров

Микроконтроллер Atmel AVRMega 128 (МК) управляет по заданной пользователем программе, сбором и обработкой данных с CTD, флюориметра, турбидиметра, акустического измерителя течения, а также с аналоговых каналов. МК сохраняет данные с датчиков на флэш-память и по заданной программе выполняет передачу данных по интерфейсу RS-485, если обсерватория работает в кабельном варианте.

Алгоритм работы схематически представлен на рис. 15

Рисунок 15. Алгоритм работы подсистемы сбора ГФП

1.7 Разработка прикладного ПО подсистемы сбора гидрофизических параметров

Было разработано программное обеспечение для микроконтроллера. Оно позволяет проводить гибкую настройку обсерватории в зависимости от применяемых датчиков, работе в автономном режиме или в кабельном варианте. Пользователь может задавать различную частоту опроса датчиков, в зависимости от временных условий, поступающих от датчиков значений или градиента значений. При работе в кабельном варианте возможно удаленное управление и программирование.