РЕАЛИЗАЦИЯ  СТРУКТУРНОГО  КОНТРОЛЯ  НА  МИКРОКОНТРОЛЛЕРЕ  FREEDUINO

Соловьев  Александр  Михайлович

соискатель  Госуниверситета-УНПК,  г.  Орел

E-mail: 

IMPLEMENTATION  OF  STRUCTURAL  CONTROL  ON  MIKROKONTROLER  FREEDUINO

Alexander  Soloviev

applicant  State  University-UNPK,  Orel

АННОТАЦИЯ

Предложен  вариант  построения  системы  моделирования  структурного  контроля  на  микроконтроллере.

ABSTRACT

A  variant  of  the  construction  of  the  system  modeling  the  structural  control  on  the  microcontroller

Ключевые  слова:  структурный  контроль,  микроконтроллер,  микропроцессор.

Keywords:  structural  control,  microcontroller,  microprocessor.

В  настоящее  время  усилители  низкой  частоты  (УНЧ)  являются  одним  из  основных  узлов  различной  аппаратуры  в  устройствах  автоматики,  вычислительной  и  телекоммуникационной  техники  [4].  Повышение  качества  функционирования  УНЧ,  предназначенных  для  усиления  и  коррекции  сигналов  в  низкочастотной  части  аппаратуры  каналообразования,  немыслимо  без  своевременного  анализа  их  технического  состояния  посредством  контроля  —  одной  из  функций  процесса  управления,  заключающегося  в  оценке  величины  контролируемого  параметра  и  выявления  его  отклонений  от  требуемых  значений  [2]. 

Несмотря  на  большое  разнообразие  видов  контроля  [1],  проверка  усилителей,  как  правило,  происходит  в  режиме  извлечения  из  аппаратуры  каналообразования,  что  прерывает  работу  тракта  приема-передачи  и  не  решает  задачи  предупреждения  выхода  контролируемых  параметров  усилителя  за  установленные  границы. 

Предварительный  анализ  показывает,  что  отмеченные  ограничения  не  позволяют  предотвратить  переход  усилителя  в  неработоспособное  состояние,  а,  значит,  актуальным  становится  проведение  структурного  контроля,  являющегося  контролем  процесса  функционирования  усилителя  и,  собственно  контролем  отдельных  его  структурных  элементов  (проф.  В.И.  Раков,  2005  [3]). 

Практическая  реализация  структурного  контроля  усилителей  осложняется  необходимостью  вывода  измерительной  информации  от  большого  числа  контрольных  точек,  отражающей  техническое  состоянии  структурных  элементов  тестируемого  усилителя.  Решением  может  стать  размещение  на  плате  усилителя  встроенного  микроконтроллера,  обеспечивающего  непосредственное  получение  или  накопление  информации  о  состоянии  усилителя  и  составляющих  его  усилительных  каскадов  для  последующей  обработки  и  вывода  на  цифровое  табло. 

Современные  микроконтроллеры  позволяют  снимать  измерительную  информацию  со  множества  контрольных  точек  усилителя,  выполнять  математические  функциональные  преобразования,  такие  как  отношение  зависимостей  двух  величин,  что  выгодно  отличает  их  использование  от  применения  традиционных  измерительных  приборов,  а  малые  габаритные  размеры  микроконтроллеров  являются  решающим  фактором  и  единственно  возможным  решением  для  практической  реализации  структурного  контроля  усилителей  на  их  основе.

Очевидно,  что  основная  функция  применения  микроконтроллера  для  реализации  структурного  контроля  УНЧ  в  целом  и  отдельных  его  усилительных  каскадов  является  отслеживание  динамики  изменения  текущего  показателя  функционирования,  например,  коэффициента  усиления  по  напряжению:

  (1)

где:    —  напряжение  на  нагрузке  усилителя  (усилительного  каскада); 

—  напряжение  на  входе  усилителя.

Отслеживание  во  времени  коэффициента  усиления  по  напряжению  позволит  заранее  выявить  зарождающиеся  нежелательные  изменения  в  структуре  УНЧ  и  тем  самым  заблаговременно  уделить  повышенное  внимание  возможностям  появления  предаварийных  ситуаций.  В  настоящее  время  однокристальные  микроконтроллеры  обладают  достаточным  быстродействием,  чтобы  на  программном  уровне  обеспечить  динамический  режим  измерения  коэффициента  усиления  по  напряжению,  а  использование  флэш-памяти  программ  позволяет  не  привязывать  микроконтроллер  для  измерения  параметров  определенных  типов  усилителей.

На  рисунке  1  представлена  структурная  схема  измерительной  системы,  построенная  на  микроконтроллере,  реализующая  структурный  контроль  усилителя. 

Рисунок  1.  Структурная  схема  измерительной  системы  структурного  контроля  УНЧ

Ввод  входных  и  выходных  сигналов  усилителя  для  последующей  обработки  в  микропроцессоре  осуществляется  с  помощью  АЦП.  Вычисление  коэффициента  усиления  усилителя  осуществляется  согласно  выражению  (1)  с  последующим  выводом  результатов  вычислений  на  цифровое  табло  с  помощью  ЦАП. 

В  качестве  микроконтроллерных  измерительных  систем  для  реализации  структурного  контроля  могут  быть  Texas  Instrumentals  (TI),  Freeduino  и  CraftDuino,  сравнительная  характеристика  которых  приведена  в  таблице  1.

Таблица  1. 

Сравнительная  характеристика  микроконтроллерных  измерительных  систем  для  реализации  структурного  контроля

Несмотря  на  более  низкую  стоимость  микроконтроллерных  измерительных  систем  Texas  Instrumentals  и  CraftDuino,  к  достоинствам  Freeduino  которой  относятся  отсутствие  программатора  и  стандартное  расположение  выводов. 

Кроме  того,  измерительная  система  FreeDuino  очень  популярна  в  мире,  применяется  для  создания  измерительных  систем  с  возможностью  приема  сигналов  от  различных  цифровых  и  аналоговых  датчиков,  которые  могут  быть  подключены  к  УНЧ.  Применение  в  составе  FreeDuino  процессора  AТмega,  удачно  воплощает  современ­ные  тенденции  безаккумуляторной  RISC-архитектуры  микроконтроллеров,  что  в  сочетании  с  достижениями  фирмы  Atmel  в  области  создания  flash-памяти  сделало  его  весьма  популярным  на  мировом  рынке  микроконтроллеров. 

Отмеченные  особенности  микроконтроллерной  измерительной  системы  FreeDuino,  а  также  отсутствие  влияния  на  результаты  измерений  коэффициента  усиления  по  напряжению  исследуемого  усилителя  обуславливают  ее  выбор  для  реализации  структурного  контроля  УНЧ. 

Так,  входное  сопротивление  аналоговых  входов  FreeDuino  (более  1  МОм),  соответствует  заявленным  требованиям  на  сопротивления  входных  цепей  измерительной  системы  (график  на  рис.  2),  полученным  на  основе  анализа  принципиальной  схемы  исследуемого  УНЧ  (рис.  3)  и  его  математической  модели: 

  (2)

Рисунок  2.  График  зависимости  коэффициента  усиления  по  напряжению  от  сопротивления  входных  цепей  прибора  контроля,  подключенного  на  выход  усилителя

Рисунок  3.Принципиальная  схема  усилителя  низкой  частоты 

Рисунок  4.  Реализация  структурного  контроля  УНЧ  с  использованием  микроконтроллерной  измерительной  системы  FreeDuino

Реализация  структурного  контроля  УНЧ  на  основе  микроконтроллерной  измерительной  системы  FreeDuino  представлена  на  рисунке  4. 

Написанная  программа  для  измерения  коэффициента  усиления  преобразуется  в  программу  на  языке  C/C++  и  затем  компилируются  компилятором  AVR-GCC.  Ввод  сигнала  с  входа  и  выхода  усилителя,  а  также  с  четырех  усилительных  каскадов  для  последующей  процессорной  обработки  осуществляется  с  задействованием  6-ти  каналов  АЦП,  рассчитанных  на  10  бит  каждый  с  использованием  функции  analogRead.  Напряжение  усилителя  от  0  до  1,2  В  преобразовывается  в  целочисленное  значение  от  0  до  1023  с  разрешающей  способностью:  1,2  В/1024  значений  =  0,00117  В/значение  (1,17  мВ). 

После  вычисления  в  микропроцессоре  коэффициентов  усиления  с  использованием  выражения  (1),  с  помощью  функции  analogWrite  осуществляется  вывод  на  цифровое  табло  через  выходные  порты  3,  5,  6,  9,  10,  и  11  значений  измеренных  коэффициентов  усиления. 

Таким  образом,  структурный  контроль  может  быть  реализован  на  основе  микроконтроллерной  измерительной  системой  FreeDuino,  которая,  в  отличие  от  традиционных  измерительных  приборов,  позволяет  контролировать  одновременно  коэффициент  усиления  усилителя  и  четырех  его  усилительных  каскадов,  а  также  обладает  достаточной  разрешающей  способностью  для  проведения  измерений. 

Список  литературы:

1.ГОСТ  16504-81.  Испытания  и  контроль  качества  продукции.  Основные  термины  и  определения. 

2.Машиностроение:  Терминологический  словарь  /  Под  общ.  Ред.  М.К.  Ускова,  Э.Д.  Богданова  М.:  Машиностроение,  1995.  —  с.  592.:  ил.

3.Раков  В.И.  О  структурном  контроле  технических  средств  управления  //  Приборы  и  системы.  Управление,  контроль,  диагностика,  —  2005.  —  №  12.  —  С.  40—47.

4.Травин  Г.А.  Основы  схемотехники  устройств  радиосвязи,  радиовещания  и  телевидения:  Учебное  пособие  для  вузов.  —  2-е  изд.,  испр.  М.:  Горячая  линия  —  Телеком,  2009.  —  592  с.:  ил.