2. Функции, выполняемые микропроцессорами в измерительных приборах

Оценивая роль микропроцессоров в современных средствах из­мерения, есть вое основания утверждать, что микропроцессоры со­вершают революцию в электронном приборостроении. Применение их в измерительной технике позволяет резко повысить точность, надежность и быстродействие приборов, значительно расширить их возможности, решать задачи, которые ранее вообще не стави­лись.

Конкретное рассмотрение функций микропроцессорных систем в измерительных приборах показывает, что с помощью этих сис­тем достигаются многофункциональность приборов, упрощение уп­равления процессом измерения, автоматизация регулировок, само- калибровка 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. Внедрение микропроцессоров позволило строить многофункциональные приборы с гибкими программами работы, сделало приборы более экономными, 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. Но до применения микропроцессоров много­функциональные приборы представляли, собой совокупность нес­кольких функциональных узлов, объединенных в 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. Функциональные возможности такого устройства опре­деляются выполняемой программой, их можно легко видоизменить путем перехода к другой программе, хранимой в ПЗУ. Програм­мируемая логика работы создает гибкость перестройки, позволя­ет наращивать функции при модернизации прибора без сущест­венных изменений в его схеме.

Повышение точности приборов. Погрешности средства измере­ний относятся к его метрологическим характеристикам. Посколь­ку вопросы улучшения метрологических характеристик, достигае­мого в результате введения микропроцессорной системы в состав прибора, освещены в § 2.3, то здесь мы лишь кратко перечислим пути повышения точности измерительного прибора. Они заклю­чаются в автоматической компенсации (исключении) системати­ческой погрешности и, 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 многих параметров сигнала и характеристик устройств. Это связано прежде всего с использованием казалось бы устаревших видов измерений: косвенных и совокупных.

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 режим 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.

В качестве примера можно привести измерение сопротивлений резисторов на основе закона Ома R= U/I и измерение коэффици­ента усиления усилителя согласно определению: К— и_вых/и_вк. Эти примеры относятся к сравнительно простым математическим со­отношениям. Однако на практике нередко необходимо находить косвенным путем значения 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 «е ощущающего того, что фактически выполняются сложные косвенные измерения.

Еще более эффективны микропроцессорные системы при сово­купных измерениях, т. е. одновременно производимых 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. 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 клавиатуры (выносной или на передней панели прибора), внешне напоминающей клавиатуру калькулятора.

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

Возможность получения математических функций измеренных значений. В зависимости от решаемой задачи пользователя при­бора 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:

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

4. Получение отклонений результата измерения А от номи­нального значения А_н: абсолютного отклонения А—Ан, я относи­тельного отклонения, выраженного в процентах по отношению к номинальному значению: 100 (А—Ан)/Ан.

5. Смещение, предполагающее вычитание константы из резуль­тата измерения.

6. 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 ка другой результат измерения (например, при опреде­лении коэффициента усиления по результатам измерений напря­жений на выходе и входе усилителя).

7. Представление результата измерения в логарифмических единицах. Например, коэффициент передачи четырехполюсника, выраженный в децибелах: К = 20lg(U_Вых/Uвх)

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 приборов, 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.

Миниатюризация и экономичность аппаратуры. Это достига­ется в результате :резкого уменьшения числа компонентов в схеме прибора вследствие выполнения многих функций микропроцессор­ной системой, их относительно невысокой стоимости, значительно­го снижения потребляемой мощности.

Повышение надежности приборов. Оно обусловлено уменьше­нием числа элементов схемы, осуществлением автодиагностики, применением узлов с некалиброванными характеристиками (нап­ример, усилителя в канале вертикального отклонения осциллог­рафа), возможность 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 его схеме и тем более в конструкции. 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 (см. § 12.4), позволяющей подключать его к стан­дартной интерфейсной шине. Это дает возможность объединять определенную совокупность приборов в единую измерительную систему (измерительно-вычислительный комплекс).