Р. Н. Парахуда, В. И. Шевцов

Стр 1 из 7Следующая ⇒

Р. Н. Парахуда, В. И. Шевцов

АВТОМАТИЗАЦИЯ ИЗМЕРЕНИЙ

И КОНТРОЛЯ

Санкт-Петербург

Министерство образования Российской Федерации

Северо - Западный государственный заочный технический университет

Р. Н. Парахуда, В. И. Шевцов

АВТОМАТИЗАЦИЯ ИЗМЕРЕНИЙ И КОНТРОЛЯ

Утверждено редакционно - издательским советом университета

В качестве письменных лекций

Санкт-Петербург

УДК 53.08: 681.3(075.8), 621.317.3(7)

Парахуда Р. Н., Шевцов В. И. Автоматизация измерений и контроля: Письменные лекции. - СПб., СЗТУ, с.

В письменных лекциях рассматриваются вопросы, составляющие основы автоматизации измерений и контроля.

К темам, подлежащим изучению, отнесены основные принципы построения систем автоматизированного контроля, базовые элементы технического и программного обеспечения, методы и средства программирования микропроцессоров, метрологическое обеспечение автоматизированных средств измерений, контроля и испытаний.

Письменные лекции предназначены для студентов специальности 190800 -" Метрология и метрологическое обеспечение".

Рецензенты: Г. П. Телитченко, канд. техн. наук, ст. научн. сотр. ФГУП " ВНИИМ им. Д. И. Менделеева" ,

Цели и задачи автоматизации

[1], [5]

Под термином «автоматизация» понимается совокупность методических, технических и программных средств, обеспечивающих проведение процесса измерения без непосредственного участия человека. Автоматизация является одним из основных направлений научно-технического прогресса. Цели автоматизации представлены в таблице 1

Таблица 1

Цели автоматизации
Научные	Технические	Экономические	Социальные
1. Повышение эффек–тивности и качества научных результатов за счет более полного исследования моделей 2. Повышение точности и достоверности результатов исследова-ний за счет оптимизации экспе-римента. 3.Получение качествен-но новых научных ре–зультатов, невозмож-ных без ЭВМ	1. Повышение каче-ства продукции за счет повторяемости операций, увеличе-ния числа измере-ний и получения более полных дан-ных о свойствах изделий. 2. Повышение на-дежности изделий за счет получения более полных данных о процессах старения и их пред-шественниках.	1. Экономия трудо-вых ресурсов за счет замены труда чело-века трудом машины. 2. Сокращение за-трат в промыш-ленности за счет уменьшения тру-доемкости работ. 3. Повышение про-изводительности труда на основе оптимального рас-пределения работ между человеком и машиной и ликвида-ции неполной загрузки при эпизодическом об-служивании объекта	1. Повышение интеллектуального потенциала за счет поручения рутин-ных операций машине. 2. Ликвидация слу-чаев занятости персонала опе-раций в нежела-тельных условиях. 3. Освобождение человека от тяжелого физичес-кого труда и использование сэкономленного времени для удовлетворения духовных потреб-ностей.

Самым мощным средством в интенсификации труда практически во всех сферах человеческой деятельности является широкое применение средств вычислительной техники.

Сопоставив затраты на автоматизацию с получаемой экономией, можно ко-личественно определить ее эффективность. В качестве меры автоматизации установлено понятие “степень автоматизации”, определяемое как “автомати-зированная часть выполняемых данной установкой операций“.

Обобщенная структурная схема СИ, присущая любому измерительному прибору, устройству, системе, приведена на рис. 1.1. Анализ этой схемы приводит к определению основных задач автоматизации:

1. При автоматизации сбора измерительной информации необходимо обеспечить:

- унификацию выходных сигналов измерительных преобразователей;

- программно-управляемую коммутацию сигналов на общий канал связи;

- автоматический выбор диапазонов измерений.

2. При автоматизации операций измерительной цепи (канала):

- прием информации;

- фильтрацию; типовой

- усиление; набор

- аналого-цифровое преобразование. операций

3. При автоматизации передачи информации в ЭВМ:

- согласование измерительной цепи с информационной магистралью вычислительной устройства (интерфейс).

Интерфейс определяет формат передаваемой и принимаемой информации, уровни сигналов, организацию управляющих сигналов и т.д.

4. Автоматизация обработки измерительной информации предполагает:

- включение в измерительную цепь вычислительных средств (серийно выпускаемых ЭВМ);

- разработку специализированных средств на базе микропроцессорных средств.

5. Автоматизация индексации и документальной регистрации результатов измерений обеспечивается:

- периферийными выходными устройствами;

- цифро-буквопечатающими устройствами;

- графопостроителями;

- дисплеями;

- цифровыми индикаторными табло и т.д.

Выбор необходимого устройства и вывод информации на ЭВМ при этом должен осуществляться автоматически.

Табл. 6.1 Адресное поле памяти МПС

Номер тысячи

Адрес вдес. сие. счисл

Адрес в шест, сие. счисл

Адрес в двоичной системе счисления

А15

А14

А13

А12

А11

А10

А9

А8

А7

А6

А5

А4

А2

А1

АО

…

03FF

…

07FF

…

OFFF

…

1FFF

Если в МПС используются ИС памяти объемом 1024 байта каждая, то на каждую ИС памяти заводятся разряды шины адреса с А0 по А9. При этом на каждую ИС памяти поступают адреса, начиная с нулевого и кончая адресом 1023. В этом случае на дешифратор адреса заводятся разряды шины адреса, начиная с А10 и кончая А15, которые характеризуют номера тысяч. Дешифратор адреса включает в работу ту ИС, номер тысячи которой поступил на дешифратор адреса.

Если бы в МПС использовались ИС памяти объемом 2048 байт каждая, то на каждую ИС памяти заводились бы разряды шины адреса с А0 по А10. При этом на каждую ИС памяти поступали бы адреса начиная с 0 и кончая 2047, а на дешифратор адреса поступали разряды с А11 поА15. При этом ИС памяти 0-й и 1-й тысяч имели бы адрес 0, ИС памяти 2 и 3 тысяч имели бы адрес 1, ИС памяти 4 и 5 тысяч имели бы адрес 2 и т. д.

6.1.1.1. Динамический запоминающий элемент.

На рис. 6.2 показано условное обозначение обозначение МДП- транзистора. Буквами И, С и З обозначены, соответственно исток, сток и затвор. Длинная вертикальная черта обозначает подложку(штриховая, если канал индуцированный и непрерывная – если канал втроенный). Маленькая стрелка указывает на тип канала.Если канал типа n – она направлена к подложке, а если канал типа p – от подложки.

Промежуток между истоком и стоком представляет собой аналог электрического контакта. Если на затворе положительное напряжение относительно подложки – контакт замкнут, если отсутствует – разомкнут. Затвор изолирован от подложки тончайшим (доли мкм) слоем окиси кремния. Это значит, что затвор и подложка представляют собой две пластины конденсатора. Поскольку расстояние между пластинами очень мало, емкость такого конденсатора относительно велика.Если приложить к затвору положительное напряжение, а затем отсоединить источник этого напряжения, конденсатор остается заряженным и промежуток исток-сток будет проводящим. Если же замкнуть затвор и подложку, конденсатор мгновенно разрядится и промежуток исток-сток станет непроводящим.

Таким образом, МДП – транзистор способен запомнить тот факт, что к его затвору был подсоединен источник положительного напряжения. Подобная память получила название динамической. Иными словами процесс запоминания – забывания динамичен: он изменяется во времени и это изменение связано с разрядкой конденсатора. Для описания системы одной функции запоминания недостаточно. Полная функция динамического запоминающего МДП элемента, реализующего функции памяти и выбора показан на рис. 6.3.

Здесь транзистор V₁ осуществляет функцию запоминания, транзистор V₂ делает выборку при запоминании (записи).

Чтобы запомнить, необходимо подать положительное напряжение на провод “Адресный провод записи“. При этом затвор транзистора V₂ окажется под положительным напряжением и, следовательно, затвор транзистора V₁ через промежуток исток-сток окажется подсоединенным к проводу “Запись“.

Все зависит от того, каково состояние провода “Запись“. Если на нем имеется положительное напряжение, затвор транзистора V₁ также окажется под положительным напряжением и это его состояние запомнится (запись 1 ).

Если провод “Запись“ находится под нулевым напряжением, то затвор транзистора V₂ разрядится (запись 0 ).

Если же адресный провод записи находится под нулевым напряжением, то состояние запоминающего элемента ( 0 или 1 ) не будет зависеть от состояния провода записи.

Чтобы прочесть то, что записано в динамическом запоминающем элементе (рис. 6.3.) нужно подать положительное напряжение на “Адресный провод чтения“. При этом на затворе V₃ , будет положительное напряжение и провод “Чтение“ окажется подсоединенным к стоку V₁.

Теперь все зависит от состояния транзистора V₁. Если он помнит 1, то провод для чтения окажется замкнутым с точкой нулевого потенциала (землёй). Если транзистор V₁ помнит нуль, такого замыкания не произойдет.

Динамические запоминающие элементы способны помнить в течение нескольких долей секунды, что является их недостатком.

Для длительного хранения информация периодически должна обновляться с помощью устройств регенерации (из-за чего устройства памяти быстро выходят из употребления).

6.1.1.2. Статические запоминающие элементы

Статические запоминающие элементы способны помнить неограниченно долго – до тех пор, пока не будет отключен источник питания. Основу его составляет триггер. Существует множество схем триггера. Рассмотрим схему на так называемых комплементарных транзисторных парах.

На рис. 6.4а приведена структура, у которой подложка выполнена из полупроводника типа n, а области истока и стока – из полупроводника типа p. Т.е. промежуток исток-сток проводит электрический ток при отрицательном напряжении на затворе. Такой транзистор (6.4б) называется транзистором с индуцированным каналом типа p.

На рис.6.5 показана структура комплементарной пары. Между стоком транзистора V₂ и истоком V₁ включен источник питания.

Когда на объединенных затворах транзисторов V₁ и V₂ напряжение равно нулю, точку а можно считать соединенной и источником питания и напряже-ние на ней будет +9 В.

Действительно, подложка транзистора V₂ соединена через сток с плюсом источника питания. На затворе V₂ нулевое напряжение относительно земли и, следовательно, отрицательное напряжение относительно подложки. Транзистор V₂ проводит, а транзистор V₁ не проводит, т.к. его подложка соединена с истоком (землёй) и на его затворе нулевое напряжение относительно подложки.

Когда на объединенных затворах действует положительное напряже-ние, точку а можно считать соеиненной с точкой нулевого потенциала (землёй). Напряжения на ней равно нулю ( V₁ проводит, а V₂ – не проводит, т.к. на его затворе положительное напряжение относительно земли и нулевое – относительно подложки).

На рис. 6.6 изображены две комплементарные пары. Пусть на затворах транзисторов V₁ и V₂ установилось нулевое напряжение. Тогда точка а₁ находится под напряжением источника и под этим же напряжением находятся затворы транзисторов V₃ и V₄. Точка а₂ находится под нулевым напряжением и под этим же напряжением находятся затворы транзисторов ( V₁, V₂ ). Состояние первой комплементарной пары ( V₁, V₂ ) как бы поддерживает такое состояние второй ( V₃, V₄ ), которое в свою очередь поддерживает исходное состояние первой пары.

Триггер может находиться в одном из двух симметричных состояний, при этом энергия в цепи источника питания не потребляется. Энергия потребляется только в моменты переключения (несколько десятков наносекунд).

Полная схема запоминающего устройства на рис. 6.7. Здесь транзисторы V₁ - V₄ – составляют схему триггера.

Если V₁ – запоминающий транзистор V₂-V₄ – служат для поддержания транзистора V₁ в одном их двух возможных состояний: проводящем ( 1 ) и непроводящем ( 0 ).

Транзисторы V₅ - V₆ выполняют ту же функцию что и V₂ на рис. 6.3.

Когда на затворы обоих транзисторов поданы положительные напряжения, точка а₂ триггера соединяется с проводом записи. При наличии на этом проводе положительного напряжения триггера запоминает 1, а при наличии нулевого напряжения – 0.

Транзисторы V₇ и V₈ играют ту же роль, что и V₃ на рис. 6.3. При наличии положительных напряжений на затворах обоих этих транзисторов точка а₁ триггера соединяется с проводом чтения. Если триггер помнит 1, провод чтения оказывается замкнутым на землю, а если помнит 0, провод чтения оказывается замкнутым на положительный полюс источника питания.

Провода, обозначенные буквами Х и У, должны быть под положительным напряжением при осуществлении операций записи или чтения. Если хотя бы на одном из них наполнение равно нулю, данный запоминающийся элемент оказывается отключенным от внешней цепи. На рис. 6.8. – условное обозначение статического запоминающего элемента. Это означает, что нас будет интересовать не электрическая схема элемента, а только его функции, однозначно определяющиеся состоянием проводов X, У, " Чтение" и " Запись".

6.1.1.3. Оперативные запоминающие устройства (ОЗУ)

Рассмотренный статический запоминающий элемент состоит из восьми транзисторов. Нет никакого смысла изготавливать его в виде отдельного компонента. Экономически оправданным оказывается изготовление микросхем, содержащих не менее 1000 запоминающих элементов.

Пусть имеется кристалл ( полупроводниковая пластинка), содержащий 1000 элементов. Провода " Чтение" всех 1000 элементов можно соединить и сделать общий вывод, поскольку при отсутствии напряжения хотя бы на одном их проводов X и У провода " Запись" и " Чтение" оказываются изолированными от всей схемы запоминающего устройства. В любом случае вывод " Чтение" окажется подсоединенным только к выбранному элементу, т.е. к тому, у которого имеется положительное напряжение одновременно на входах X и У. Все это справедливо для проводов записи всех элементов.

Провода X и У нельзя соединять. Изготовлять микросхемы с 20000 выводов - нереально. Как обеспечить выбор одного лишь запоминающего элемента? Для этого используется дешифраторы.

На рис. 6.9а представлен переключательный элемент, состоящий из транзистора V2 c индуцированным каналом типа nи подложкой, соединенной с истоком, а другой V1 с индуцированным каналом типа p и подложкой, соединенной со стоком.

Стоки обоих транзисторов подсоединены к источнику питания, а истоки представляют собой выходы схемы, обозначенные буквами a и b. Затворы обоих транзисторов соединены и являются входом схемы, обозначенным буквой А.

Если на входе схемы напряжение высокого уровня, с источником питания соединен выход b, а если напряжение низкого уровня, то с источником питания соединен выход a.

На рис. 6.10 каждый квадратик представляет собой схему, показанную на рис. 6.9. Если на входе А₄ действует 1 - к источнику питания оказывается подключенной правая часть схемы (отделена штриховой линией).

Если на А₄ действует 0 - подключена левая половина. При комбинации 00000 - подключен выход, помеченный цифрой 0 и на этом выходе будет действовать положительное напряжение.

При комбинации 11111 - на выходе 31 положительное напряжение. Подобная схема называется дешифратором.

Дешифратор позволяет выбрать один из 32 проводов, задавая комбинацию на 5-ти входах.

На рис. 6.11 приведено условное обозначение дешифратора.

На рис. 6.12 приведена функциональная схема модуля ОЗУ. Она содержит 1024 статических запоминающих элемента ЗЭ₀ - ЗЭ₁₀₂₃. Выводы " Чтение" и " Запись" всех элементов соединены и подключены к соответствующим выводам.

Иначе дело обстоит с выводами Х и У. Выводы У обьединяются для каждого столбца и подсоединяются к выводам дешифратора D₂ _.Выводы Х обьединяются в пределах каждой строки и подсоединяются к выводам D₁.

Пусть на входах А₅ - А₉ дешифратора действует некоторая комбинация 01010 - на 11 слева выходе дешифратора D₂ появится положительное напряжение_.

Это напряжение будет действовать на входах У всех запоминающих элементов 11-го слева столбца матрицы. Предположим, что на входах А₀ - А₄ действует комбинация 01101 - при этом положительное напряжение появится на 14 сверху выходе дешифратора и будет действовать на всех входах Х 14-ой сверху строки.

Таким образом, среди всех элементов матрицы окажется один, расположенный на пересечении 11-го слева столбца и 14-й сверху строки. Для выбора одного из 1024 элементов нужно задать комбинациюположительных и нулевых напряжений на десяти входах А₀ - А₉. (микросхема 537РУ1). Емкость в 1024 (1024 бит) далеко не предел.

Каждая микросхема памяти представляет собой основную структурную единицу ОЗУ. Оперативными они названы потому, что сохраненные в них данные можно в любой момент изменить, затрачивая на это сотни и даже десятки наносекунд.

На рис. 6.13 - структура ОЗУ, состоящая из 10 микросхем, входы которых А₀- А₉ соединены параллельно. Такая совокупность позволяет на выходах " Чтение" и " Запись" получать 10 бит (длина слова). Т. о. ОЗУ - совокупность запоминающих ячеек, каждая из которых характеризуется своим адресом. Невыгодно иметь длину слова в ОЗУ больше, чем 32 бита. Алгоритм просмотра расположения слов в ячейках реализуется организацией стеков.

6.1.1.4. Постоянные запоминающие устройства (ПЗУ)

Основная идея построения ПЗУ весьма простая (рис. 6.14). Имеются набор горизонтальных (адресных) и вертикальных (разрядных) проводов. Число разрядных проводов соответствует числу разрядов (бит) в запоминаемых словах (чаще 8 или 16). Число адресных равно объему памяти или емкости модуля ПЗУ. Пусть на горизонтальный провод " Слово2" подано положительное напряжение. На остальные горизонтальные провода - не подается. Аноды всех диодов, подсоединенных к этому проводу, окажутся под положительным напряжением, т.е. способны проводить электрический ток. Следовательно, на всех вертикальных проводах, соединенных с горизонтальным проводом " Слово2" установится такое же напряжение ( т.е. на вертикальных проводах 1, 2, 4 и 5). Следовательно, в ПЗУ можно прочитать 8- разрядное слово 01101100.

Когда на каком-либо вертикальном проводе устанавливается положительное напряжение, катоды всех остальных диодов, подсоединенных к этому проводу оказываются так же под напряжением. Следовательно, они не проводят электрический ток и не участвуют в работе ПЗУ.

Первичную информацию в ПЗУ записывают в процессе изготовления и выпускают ПЗУ с уже записанной информацией. В ПЗУ могут быть записаны: рекомендации по выбору наилучших режимов работы, программы работы станков с ЧПУ, справочные данные.

Первый способ иллюстрирует схема на рис. 6.15 - диоды расположены во всех без исключения точках пересечения вертикальных и горизонтальных проводов; последовательно с каждым диодом включена плавкая перемычка.

В ПЗУ с плавкими перемычками записываются нули. Для этого между адресным проводом данного слова и вертикальным проводом того разряда, в котором в данном слове имеется нуль, прикладывается большая разность напряжений и выжигается плавкая перемычка. Диоды, оставшиеся подключенными, соответствуют единицам.

Второй способ - на рис. 6.16. Здесь во всех без исключения точках пересечения проводов включены пары диодов. В каждой паре диоды включены навстречу другу. Такая цепь не проводит тоже ни в одном из возможных направлений.

В ПЗУ подобного типа в момент выпуска его записаны одни нули. Для записи единицы в данный разряд данного слова между вертикальным и горизонтальным проводом прикладывается большая разность напряжений. Тот из двух диодов, который оказывается смещенным в обратном направлении, пробивается и в дальнейшем представляет собой электрическое соединение.

ППЗУ - позволяют многократно записывать информацию. В точках пересечения - транзисторы с плавающим затвором. Запись единиц осуществляется приложением напряжения (около 80 В). Стирание осуществляется облучением ультрафиолетовым светом или рентгеновскими лучами.

РОН - регистры общего назначения для хранения промежуточных результатов; РОН содержит шесть регистров - В, С, D, E, H, L; объем каждого регистра 8 бит;

PC-регистр состояний, вырабатывающий сигналы, характеризующие результаты стандартных операций в АЛУ (например, результат больше, меньше или равен нулю);

СР - стековый регистр для хранения адреса ячейки памяти фоновой программы при возвращении из подпрограммы;

СчА - счетчик адреса для выработки адресов ячеек памяти и номеров интерфейсов, к которым обращается МП; разрядность шины адреса 16 бит;

РМК - регистры хранения микрокоманд управления работой МП;

УУ - устройство управления работой МП;

Ввод информации в А и РОН

MVIА ЗЕ D8→ A.
MVIВ 06 D8→ B.
MVIС ОЕ D8→ C.
MVID 16 D8→ D.
MVIE IE D8→ E.
D8 является символом вводимой информации разрядностью 8 бит.

Пересылка информации между А и РОН
MOV BA		А→ В
MOV DA		A→ D
MOV CA	4F	А→ С
MOV EA	5F	А→ Е

MOV AB		В→ A
MOV AC		С→ А
MOV AD	7A	D→ A
MOV AE	7B	Е→ А
Сложение двух чисел
ADD В		A+B
ADD С		A+C
ADD D		A+D
ADD E		A+E

Сдвиг числа в А

Сдвиг чисел на один бит влево обеспечивает умножение сдвинутого числа на 2.
Сдвиг числа на один бит вправо обеспечивает деление этого числа на 2.
Сдвиг влево RLC 07
Сдвиг вправо RRC 0F

Прибавление или вычитание единицы в А или РОН
INR A	ЗС	А+1
INR B		В+1
INR C	ОС	С+1
INR D		D+1
INR E	1C	Е+1
DCR A	3D	А-1
DCR B		В-1
DCR C	OD	С-1
DCR D		D-1
DCR E	ID	Е-1

Список литературы

1. Автоматизация измерений и контроля электрических и неэлектрических величин: Учебное пособие для вузов/ Под ред. А. А. Сазонова. - М.: Изд-во стандартов, 1987. –328 с.

2. Воронцов Л. Н., Корндорф С. Ф. Приборы автоматического контроля размеров в машиностроении: Учебн. пособие для вузов. - М.: Машиностроение, 1988.-280 с.

3. Глудкин О.П. Методы и устройства испытаний РЭС и ЭВС.- М: " Высшая школа", 1991. – 335 с.

4. Сопряжение датчиков и устройств ввода данных с компьютерами IВМ РС: пер. с англ./Под ред. У. Томпкинса, Дж. Уэбстера. - М.: Мир, 1992. – 592 с.

5. Малышев В. М., Механников А. И. Гибкие измерительные системы в метрологии. - М.: Изд-во стандартов, 1988. – 176 с.

6. Методы электрических измерений: Учеб.пособие для вузов/ Под ред. Э. И. Цветкова, Л.: Энергоатомиздат, 1990.

7. Основы метрологии и электрические измерения: Учеб. пособие для вузов/ Под ред. Е. М. Душина.-Л.: Энергоиздат, 1987.

8. Левшина Е.С., Новицкий П. В. Измерение физических величин: Измерительные преобразователи.-Л.: Энергоатомиздат, 1983.

9. Лейтман М. Б. Нормирующие измерительные преобразователи электрических сигналов. - М.: Энергоатомиздат, 1989.

10. Шишкин И. Ф. Теоретическая метрология. - М.: Издательство стандартов, 1991.

Оглавление

Цели и задачи автоматизации
Автоматизация измерительного процесса
Обобщенные структурные схемы процессов измерения и контроля
Основные принципы построения средств автоматизированного контроля
Базовые элементы технического обеспечения автоматических систем измерений и контроля
Элементы программного обеспечения
Методы и средства программирования
Автоматизированные средства измерений с одно- и двукратным сравнением
Автоматические средства с адаптацией чувствительности; с частотно-импульсным преобразованием
Автоматизация испытаний электронных вычислительных средств
Метрологическое обеспечение автоматизированных средств измерений, контроля и испытаний

ЛР № 020308 от 14. 02. 97

Раиса Никифоровна Парахуда

Владимир Иванович Шевцов

Р. Н. Парахуда, В. И. Шевцов

АВТОМАТИЗАЦИЯ ИЗМЕРЕНИЙ

И КОНТРОЛЯ

Санкт-Петербург

Министерство образования Российской Федерации

Северо - Западный государственный заочный технический университет

12 3 4 5 6 7 Следующая ⇒