26. Функции выполняемые мп в приборах: обоснование применения и особенности приборов, содержащих микропроцессорные системы, в результате чего достигаются эти возможности. Повышение точности приборов.

Общие сведения. Как уже отмечалось, для современного этапа развития техники характерно все более интенсивное и глубокое проникновение в ее различные отрасли микропроцессоров, радикально преобразующих свойства многих устройств и открывающих новые возможности их применения. По широте и эффективности применения микропроцессоров одно из первых мест занимает контрольно-измерительная техника.

Естественно возникает вопрос: «Что дает применение микропроцессоров в измерительных приборах, сколь эффективны схемные решения, в основе которых лежит микропроцессорная система?»

В общем плане ответом могут служить заголовки ряда журнальных статей и информационных материалов: «Микропроцессор совершает революцию в электронном приборостроении». И это действительно так. Но даже если умерить патетические интонации и перейти к обычному техническому языку, то следует сказать, что применение микропроцессоров в измерительной технике позволяет резко повысить точность приборов, значительно расширить их возможности, повысить надежность, быстродействие, решить задачи, которые ранее вообще не решались.

Конкретное рассмотрение функций микропроцессорных систем в измерительных приборах показывает, что с помощью этих систем достигаются многофункциональность приборов, упрощение управления процессом измерения, автоматизация регулировок, самокалибровка и автоматическая поверка, улучшение метрологических характеристик прибора, выполнение вычислительных процедур, статистическая обработка результатов наблюдений, определение и перевод в линейную форму функции измеряемой физической величины, создание программируемых, полностью автоматизированных приборов. Появился новый класс «интеллектуальных» приборов, называемых также «думающими» или «разумными».

Радикально изменилась идеология построения приборов. Микропроцессор стал основной частью собственно прибора, что привело к изменению конструкции и схемных решений, компоновки, управления, включению обработки данных в измерительную процедуру (выполняемую без участия экспериментатора). Внедрение микропроцессоров открыло возможность построения многофункциональных приборов с гибкими программами работы, сделало приборы более экономичными, облегчило решение задачи выхода на стандартную интерфейсную шину [канал общего пользования (КОП)] и управления интерфейсом. Все это упростило эксплуатацию приборов, резко повысило производительность труда их пользователей.

Рассмотрим более подробно основные возможности, особенности приборов, содержащих микропроцессорные системы, и выясним, в результате чего достигаются эти возможности.

Многофункциональность. Идея построения многофункциональных измерительных приборов, предназначенных для измерения нескольких параметров сигналов или характеристик объекта исследования, не нова. Она осуществляется уже более двух десятилетий. Но до применения микропроцессоров многофункциональные приборы представляли собой совокупность нескольких функциональных узлов, объединенных в одно конструктивное целое. При эксплуатации таких приборов переход от одной функции к другой производится с помощью коммутирующих устройств. В результате коммутации соединительных цепей пользователь составляет, «собирает» из отдельных узлов определенный прибор для измерения конкретного параметра сигнала или характеристики испытуемого-объекта. Алгоритм работы средства измерений, заложенный при его разработке, в процессе эксплуатации сохраняется неизменным. Иначе говоря, традиционные многофункциональные приборы выполнены по схеме с жесткой логикой. Для нее характерно противоречие между многофункциональностью, числом возможных функций прибора, с одной стороны, и экономической, а также технической эффективностью — с другой. Проблема коммутации и управления никогда не теряла остроты при конструировании приборов, предназначенных для выполнения ряда функций, и далеко не всегда решалась успешно.

Микропроцессорная система, введенная в состав многофункционального средства измерения, радикально изменила его, преобразовала устройство с жесткой логикой работы в программно-управляемое устройство. Функциональные возможности такого устройства определяются выполняемой программой, и могут быть легко видоизменены путем перехода к другой программе, хранимой в ПЗУ. Поэтому программируемую логику работы подобных приборов иногда называют «хранимой». Она создает гибкость перестройки, позволяет наращивать функции при модернизации прибора без существенных изменений в его схеме. Применение программируемой логики, как правило, уменьшает стоимость прибора.

Повышение точности приборов. Напомним, что под точностью средства измерений понимают качество средства измерений, отражающее близость к нулю его погрешностей. При этом близость к нулю систематических погрешностей определяет правильность средства измерений, а близость к нулю случайных погрешностей— сходимость показаний средства измерений.

Погрешности средства измерений относятся к его метрологическим характеристикам. Поскольку вопросы улучшения метрологических характеристик, достигаемого в результате введения микропроцессорной системы в состав прибора, освещены в отдельной литературе, то здесь лишь кратко перечислим пути повышения точности измерительного прибора. Они заключаются в автоматической компенсации (исключении) систематической погрешности, в частности автоматической установке нуля перед началом измерений, автоматическом выполнении градуировочной операции (самокалибровка), выполнении самоконтроля, уменьшении влияния случайных погрешностей путем проведения многократных наблюдений (единичных измерений) с последующим усреднением их результатов, выявлении и исключении грубых погрешностей, выведении на дисплей информации о числовых значениях погрешностей по ходу измерений.

Расширение измерительных возможностей приборов. Применение микропроцессоров позволяет существенно расширить возможности измерений широкого перечня параметров сигналов и характеристик устройств. Это связано, прежде всего, с использованием, казалось бы, устаревших, видов измерений: косвенных и совокупных.

Известно, что косвенное измерение заключается в нахождении искомого значения физической величины по известной математической зависимости между этой величиной и физическими величинами, подвергаемыми прямым измерениям. Иначе говоря, искомое значение данной физической величины вычисляется по результатам прямых измерений других физических величин. Если физическая величина z, значение которой нужно измерить, представляет собой функцию

z = f(x₁, x₂,…, x_q)

где х₁, х₂, ..., x_q — физические величины, подвергаемые прямым измерениям, и В₁ В₂, ..., B_q — результаты прямых измерений физических величин х₁ х₂, …, x_q, то результат А косвенного измерения находят из выражения

A = f (B₁, B₂,…, B_q)

Из-за необходимости применения нескольких приборов, снятия ряда отсчетов и последующих вычислений косвенные измерения воспринимаются многими экспериментаторами как примитивные, несовременные. Даже при использовании микрокалькуляторов вычисления в некоторых случаях могут занимать значительное время, и, главное, они, требуя постоянного внимания и работы экспериментатора, не позволяют достичь высокой производительности.

Кроме того, не очень проста процедура оценки погрешностей косвенных измерений, а без этого никакое измерение не может быть признано достоверным.

Коренным образом меняется положение при включении в состав прибора микропроцессорной системы. По команде, получаемой с клавиатуры, она автоматически в соответствии с заданной программой выбирает режимы измерений, запоминает результаты прямых измерений, проводит необходимые вычисления и выдает найденное значение измеряемой физической величины на дисплей. Хотя измерения по своей природе остаются косвенными, экспериментатор воспринимает их как прямые, поскольку, подключив прибор к объекту исследования, непосредственно получает результат измерения.

Примером может служить измерение цифровым вольтметром мощности Р, рассеиваемой на нагрузочном резисторе усилителя низкой частоты Измерения осуществляются согласно формуле

P = U²/R

где U — падение напряжения на резисторе; R — сопротивление резистора. Цифровому вольтметру задается программа, согласно которой сначала измеряется сопротивление резистора и запоминается полученный результат, затем измеряется напряжение на резисторе, после чего вычисляется мощность.

В качестве других примеров можно привести измерение сопротивлений резисторов на основе формулы закона Ома R = U/I и измерение коэффициента усиления усилителя согласно определению к=U_вых/U_вх.

Приведенные примеры относятся к сравнительно простым математическим соотношениям. Однако на практике нередко возникает необходимость нахождения косвенным путем значений и таких физических величин, которые зависят от большого числа непосредственно измеряемых других физических величин. Применение микропроцессорных систем делает эти измерения простыми и удобными для пользователя, получающего прямые показания прибора и не ощущающего того, что фактически выполняются сложные косвенные измерения.

Еще более эффективны микропроцессорные системы при совокупных измерениях, т. е. производимых одновременно измерениях нескольких одноименных физических величин, при которых искомые значения величин находят решением системы уравнений, получаемых при прямых измерениях различных сочетаний этих величин.

Упрощение и облегчение управления прибором. На первый взгляд расширение функций, выполняемых программируемыми приборами, должно было бы привести к увеличению числа органов управления. Но в действительности это не так. Одним из критериев высокого уровня программного обеспечения измерительного прибора является степень сложности его передней панели.

Принято считать, что «разумный» прибор должен иметь простой набор органов управления. Для современных приборов, содержащих микропроцессоры, характерна кнопочная система управления, конструктивно оформляемая в виде клавиатур (выносной или на передней панели прибора), внешне напоминающей клавиатуру калькулятора.

Так, например, у одного из цифровых мультиметров, обладающего многими функциональными возможностями, управление изменением функций, диапазонов измерений и режимов работы (всего 44 сочетания) осуществляется с помощью клавиатуры, состоящей всего из 17 клавиш. Этого удалось достичь вследствие того, что каждая клавиша управляет аналоговыми схемами косвенным образом — через микропроцессор, а последний селектирует различные сочетания сигналов, вводимых при нажатии клавиш. Другим примером упрощения управления, сокращения числа ручек и кнопок может служить малогабаритный 7-разрядный цифровой частотомер, работающий в диапазоне 10 Гц...1 ГГц. На передней панели этого прибора имеются только два входных разъема (первый — для сигналов частотой 10... 75 МГц, второй — для сигналов частотой 70 МГц...1 ГГц), кнопка включения прибора, ручка регулятора чувствительности и двухпозиционный кнопочный переключатель длительности временных ворот («времени измерения»): 1 с и 1 мс.

Радикально уменьшает число органов управления автоматизация выбора пределов измерений, интервала дискретизации напряжения исследуемого сигнала и других режимов работы прибора. В некоторых приборах предусмотрена сигнализация о некорректных шагах экспериментатора и выдача на дисплей инструкций, указывающих, что должен предпринять экспериментатор, какова правильная последовательность действий.

27. Возможность получения математических функций измеренных значений с помощью МП. Примеры таких преобразований. Получение статистических характеристик. Миниатюризация и экономичность аппаратуры. Повышение надежности приборов. Сокращение продолжительности разработки. Организация измерительных систем.

Возможность получения математических функций измеренных значений. В зависимости от решаемой задачи экспериментатора могут интересовать не непосредственно получаемое при измерении значение физической величины, а его различные математические функции. Многие приборы, содержащие микропроцессорные системы, позволяют автоматически выполнять запрограммированные функциональные преобразования. Примерами таких преобразований могут служить:

1. Умножение найденного значения А на константу с. При этом показание прибора А_п=сА. Константа вводится по команде при нажатии клавиши.

2. Получение отклонений результата измерения А от номинального значения A_н: абсолютного А—A_н и относительного, выраженного в процентах по отношению к номинальному значению, т. е. 100(A—A_н)/A_н.

3. Смещение, предполагающее вычитание константы из результата измерения.

4. Вычисление отношений: деление на константу (например, при определении значения постоянного тока через резистор по измеренному вольтметром значению падения напряжения на этом резисторе), нахождение частного от деления одного результата измерения на другой результат измерения (например, при определении коэффициента усиления по результатам измерений напряжений на выходе и входе усилителя).

5. Представление результата измерения в логарифмических единицах. Например, затухание четырехполюсника, выраженное в децибелах: a = 20 1g(U_вх/U_вых).

6. Линеаризация зависимостей. Такая необходимость особенно часто встречается при электрических измерениях неэлектрических величин (например, температуры), когда напряжение электрического сигнала на выходе датчика представляет собой нелинейную функцию измеряемой физической величины на его входе. В таких ситуациях значения выходного напряжения датчика преобразуются с помощью АЦП в числа, которые обрабатываются микропроцессорной системой по заданной программе, и в итоге получается линейная связь между показаниями прибора и значениями физической величины на входе датчика.

В некоторых приборах предусмотрена возможность вычисления по желанию пользователя произвольных (разумеется, в определенных пределах) математических соотношений.

Получение статистических характеристик. Ряд вольтметров, в составе которых имеется микропроцессорная система, позволяет формировать оценки таких вероятностных характеристик анализируемой случайной переменной, как среднее значение, средняя мощность, среднеквадратическое значение, дисперсия, среднеквадратическое отклонение, а также коэффициент корреляции двух случайных переменных. Микропроцессорные приборы, специально предназначенные для измерения статистических характеристик сигналов, обладают более широкими возможностями.

Миниатюризация и экономичность аппаратуры. Резкое уменьшение числа компонентов в схеме прибора вследствие выполнения многих функций микропроцессорной системой, их относительно невысокая стоимость, значительное снижение потребляемой мощности позволяют строить малогабаритные и экономичные приборы.

Повышение надежности приборов. Оно обусловлено уменьшением числа элементов схем, осуществлением автодиагностики, применением узлов с некалиброванными характеристиками (например, усилителя в канале вертикального отклонения осциллографа), возможностью выполнения коррекции погрешностей, улучшающей метрологическую надежность.

Сокращение продолжительности разработки. Часто для получения новых свойств прибора, выполняемого на основе микропроцессорной системы, не требуется значительных изменений в схеме и тем более в конструкции прибора. Основное содержание разработки заключается в создании необходимого программного обеспечения. Учитывая, что для широко применяемых микропроцессоров уже накоплена библиотека достаточно совершенных типовых прикладных программ (перемножения и деления двухбайтовых чисел, возведения числа в квадрат, извлечения корня квадратного и т. п.), во многих случаях разработка программного обеспечения прибора в значительной степени сводится к рациональному выбору имеющихся программ.

Организация измерительных систем. Прибор, содержащий микропроцессор, обычно снабжен (или может быть дополнен) интерфейсной картой позволяющей подключать его к стандартной интерфейсной шине. Это дает возможность объединять определенную совокупность приборов в единую измерительную систему (измерительно-вычислительный комплекс).