8. Системное проектирование аналого-цифровых контрольно -управляющих систем
8.1 Компоновка структуры аналого-цифровых каналов ввода-вывода, выбор способов реализации операций преобразования и обработки данных.
Как правило, КУС с целью экономии средств и сокращения времени разработки наиболее рационально компоновать из отдельных блоков, реализующих необходимые функции по преобразованию и обработке сигналов.
Анализ функций таких систем, проведенный в главе 2 показывает, что большинство из возможных вариантов построения ее структуры реализуется на основе следующих функциональных блоков: усилитель, фильтр, функциональный преобразователь, блок обработки цифровой информации, УВХ, АЦП и ЦАП.
Подходы к построению, алгоритмы функционирования блока обработки цифровой информации в рамках данного курса рассматриваться не будут. Все это определяется и назначением КУС и конкретными требованиями к процессу регулирования (контроля, управления). Для простоты будем просто считать, что это микропроцессорный универсальный или специализированный контроллер.
В простейшем случае структура КУС состоит из последовательно включенных функциональных блоков, выполняющих в заданной последовательности необходимые операции. На рис.43 показана структура системы обработки данных, осуществляющая прием информации с одного датчика и выдающая управляющий аналоговый сигнал на одно исполнительное устройство. Она достаточно полно отражает перечень операций, выполнение которых может потребоваться при реализации КУС (усилитель У, фильтр Ф, функциональный преобразователь (линиаризатор) ФП, устройство выборки-хранения УВХ, АЦП).
Рис.
При первом рассмотрении этой структуры может напрашиваться вывод, что для некоторых операций порядок их выполнения несущественен. Это действительно может быть так, особенно когда требования к конкретным параметрам далеки от критических значений. Однако при более детальном рассмотрении, при практической реализации все может оказаться не так просто.
Прежде всего, может потребоваться не один, а несколько масштабных усилителей, согласующих выходные и входные диапазоны сигналов последовательно друг за другом включенных блоков. Дело в том, что в последнее время структурные элементы все чаще реализуются на специализированных БИС, которые имеют определенные диапазоны входных и выходных сигналов не совпадающие, как правило, с диапазонами сигналов специализированных БИС других узлов (других серий). Например, у БИС УВХ К1110СК2 диапазон выходных напряжений изменяется от 0 до +5 В, все БИС АЦП серии К1107 работают с входными напряжениями от 0 до -2 В и т.д. Полное использование диапазонов работы блоков позволяет свести к минимуму относительные погрешности, осуществляемых ими преобразований.
При применении в качестве устройства цифровой обработки сигналов программируемого контроллера ряд операций (фильтрация, функциональное преобразование) может выполняться не аналоговыми узлами, а этим контроллером в цифровой форме программно. При этом соответствующие аналоговые узлы из структуры будут исключаться.
Это соответствует современной тенденции построения цифровых КУС – все более широкому использованию цифровых алгоритмов обработки сигналов. Это в конечном итоге отражается на сокращении аналогового оборудования и, в конечном итоге, ведет к упрощению настройки устройства в целом, его удешевлению, повышении стабильности его работы в условиях изменения внешних факторов. Все это весьма существенно как при изготовлении, так и при эксплуатации КУС.
В отдельных случаях экономии аппаратных средств добиваются за счет разбиения отдельных действий по выполнению какой-то операции обработки сигнала на аппаратно и программно реализуемые. Наиболее ярким примером такого разбиения является выполнение функций регистра последовательных приближений в АЦП поразрядного кодирования программными средствами, накапливающего сумматора в следящем АЦП многоразрядных приращений (рис.44.а и рис.44.б соответственно). Другим примером можно считать использование резидентной памяти контроллера для хранения кодов коэффициентов аппроксимации при построении аналого-цифровых функциональных преобразователей.
Фактором, ограничивающим программную реализацию тех или иных операций по обработке сигналов, является производительность контроллера. При реализации управляющих КУС, она должна быть достаточной для обеспечения работы системы в реальном масштабе времени. С развитием современной микроэлектронной базы это ограничение снимается для все более широкого круга практических задач и применений.
Рис. Периферийные узлы CPU при программной реализации отдельных функций
в АЦП поразрядного кодирования (а) и в следящем АЦП многоразрядных приращений (б)
Однако есть еще один фактор, определяющий порядок выполнения операций. В ряде случаев он может становиться доминирующим и требовать определенного порядка выполнения операций, невзирая на оптимизацию решения других проблем. Это требование по соотношению сигнал/шум. Этот же критерий часто обуславливает и требуемые характеристики отдельных узлов, а, следовательно, и их практическую реализацию.
Рассматривая этот вопрос необходимо помнить, что речь идет не только о шумах обусловленных наводками на линии распространения аналогового сигнала и которые могут быть подавлены включением фильтров или правильным выбором тех или иных схемотехнических приемов. Источниками шума могут являться отдельные элементы схемы и функциональные узлы в целом. При этом, прежде всего, говорят о тепловых шумах. Однако в технике обработки сигналов к понятию появления шумов сводят и появление некоторых погрешностей, которые появляются в результате выполнения некоторых операций и действие которых проявляется аналогично появлению в узлах структуры определенного уровня шумов. К последним, прежде всего, относят эффекты, обусловленные дискретизацией сигнала и нелинейностью характеристик АЦП и ЦАП, кодирующих и декодирующих аналоговый сигнал, а также вычислительные погрешности округления, которые появляются при реализации цифровых алгоритмов обработки сигналов, связанные с ограничением длины (разрядности) цифровых слов – результатов арифметических действий.