2.2 Оптимальний варіант структурної схеми

Н а основі досліджень проведених у попередньому пункті даного курсового проекту зроблено висновок, що наша система буде розроблятися за такою схемою як зображена на рисунку 2.2. Система побудована за такою схемою матиме найкращі технічні характеристики та задовольнятиме технічним вимогам поставленим в завданні (рисунок 2.4).

Рисунок 2.4 – Структурна схема системи технічного діагностування електричних машин на основі вібраційних параметрів

Структурна схема системи технічного діагностування електричних машин на основі вібраційних параметрів буде складатися з таких основних функціональних блоків:

- м/U - датчик вібрації, акселерометр трьохкомпонентний, призначений для вимірювання трьох взаємно перпендикулярних вектори віброприскорення, що проходять через одну точку, що знаходиться в центрі п`єзоелемента вібродатчика;

- g/U– датчик вібрації, акселерометр, призначений для вимірювання трьох параметрів вібрації: віброприскрення, вібропереміщення, віброшвидкість;

- MX– мультиплексор;

- – АЦП;

- MCU – мікроконтролер;

- USART/RS232 – інтерфейс;

- PC – персональний комп’ютер.

На вхід мультиплексора поступають вхідні сигнали з п`яти вимірювальних каналів, мультиплексор – призначений для керування потоками даних для вибору каналу за якими проводиться вимірювання та інших задач пов’язаних з керуванням потоками інформації. В нашому випадку мультиплексор має можливість вибрати п`ять каналів передачі даних – з усіх п`яти каналів. Керування мультиплексором здійснює мікроконтролер. Усі п`ять каналів мають на своєму виході аналогову величину, яку не потрібно підсилювати до певного рівня. Мультиплексор в даній схемі виконують роль електричних ключів, але при цьому дозволяють значно зменшити кількість задіяних ліній вводу-виводу мікроконтролера. Перетворення аналогового сигналу в цифровий код проводить аналого-цифровий перетворювач, призначений для перетворення вихідної безперервної величини в якій міститься вимірювальна інформація про вібрацію електричної машини. Мікроконтролер, призначений для обробки вимірювальної інформації, яка після аналого-цифрового перетворення поступає на його входи. Також він здійснює керування потоками інформації, забезпечення обміну даними між окремими частинами ІВС та зовнішніми пристроями, в даному курсовому проекті це пристрої регулювання вібропереміщення, віброшвидкості, віброприскорення. Мікроконтролер за допомогою певних двійкових комбінацій керує мультиплексором.

Блок гальванічної розв’язки виконує роль буфера між мікроконтролером та інтерфейсом, і призначений для захисту порта персонального компютера від потужних завад які можуть призвести до випалення порта ЕОМ. Завдяки цьому блоку значно підвищується завадостійкість і надійність системи.

Інтерфейс є важливим функціональним вузлом в сучасних ІВС. Інтерфейсом називають сукупність правил, протоколів, апаратного та програмного забезпечення, призначених для обміну даними. Інтерфейси стандартизуються міжнародною електротехнічною комісією або іншими установами. Від вибору інтерфейсу залежать багато параметрів системи, а саме: швидкість обміну даними, відстань передачі даних, точність передачі, «життєздатність» інтерфейсу.

3 Розробка принципової схеми системи технічної діагностики електричних машин на основі вібраційних параметрів

3.1 Вибір мікроконтролера

На основі розробленої, в другому розділі, структурної схеми системи технічної діагностики електричних машин на основі вібраційних параметрів, виконана розробка електричної принципової схеми вимірювальної системи.

Основним структурним елементом системи є мікроконтролер типу MSP430F149, який здійснює основні функції управління, збору і передачі інформації.

Мікроконтролер має всі ознаки ЕОМ. Такі як: наявність процесора або арифметико-логічного пристрою, оперативної пам’яті, портів введення-виведення та інших периферійних засобів. На теперішньому етапі розвитку науки і техніки мікроконтролери дуже широко використовуються в усіх галузях промисловості: від вирішення найпростіших задач до реалізації найскладніших автоматизованих систем.

Вибір мікроконтролера є дуже важливим при побудові ІВС. Для поставленої задачі нам потрібно вибрати такий мікрокнтроллер, який би мав невисоке енергозпоживання та в разі збою роботи головного сервера (комп’ютера) зміг би забезпечити роботу локальної вимірювльної системи.

Найбільшими виробниками мікроконтролерів в світі є Atmel Corporation, Texas Instruments&MAXIM, Analog Devices, Microchip. Менш потужними є Intel, Winbond, Scenix, Motorola. [12]

Зростаючий попит на продукцію з автономним (батарейним) живленням викликав необхідність створення мікроконтролерів з низьким і наднизьким енергоспоживанням. Компанія Texas Instruments розробила й серійно випускає сімейство мікроконтролерів MSP430, що задовольняє вимоги найвимогливішого розроблювача пристроїв на мікроконтролерах. Застосовуючи мікроконтролери MSP430, розроблювачі одержують потужний інструмент для роботи з аналоговими й цифровими сигналами при наднизькому споживанні енергії батареї. Енергії літієвої батареї досить для живлення приладу протягом 5 років.

Розглянемо модулі та периферійні пристрої мікроконтролера MSP430F149. Представимо узагальнений огляд кожного модуля й периферійного пристрою вибраного нами мікроконтролера.

Сімейство MSP430 має наступні ключові особливості:

Архітектура з наднизьким споживанням, що збільшує час роботи при живленні від батарей:

- для збереження вмісту ОЗУ необхідний струм не більше 0,1 мкА;

- модуль тактування реального часу споживає 0,8 мкА;

- струм споживання при максимальній продуктивності становить 250 мкА;

Високоякісна аналогова периферія для виконання точних вимірів:

- вбудовані модулі 12-розрядною або 10-розрядного АЦП;

- є температурний датчик і джерело опорної напруги VRef;

- здвоєний 12-розрядний ЦАП;

- таймери, керовані компаратором для виміру резистивних елементів;

- схема спостереження (супервізор) за напругою живлення;

- 16-розрядне RISC CPU, що допускає нові додатки до фрагментів коду:

- великий регістровий файл знімає проблему «вузького файлового горлечка»;

- компактне ядро має знижене енергоспоживання й вартість;

- оптимізоване для сучасного високорівневого програмування;

- набір команд складається з 27 інструкцій, підтримується сім режимів адресації;

- розширені можливості векторних переривань.

Можливість внутрішньосхемового програмування Flash-пам'яті дозволяє гнучко змінювати й обновляти програмний код, робити реєстрацію даних.

Система тактування розроблена спеціально для використання в додатках з живленням від батарей. Допоміжна низькочастотна система тактування (ACLK) працює безпосередньо від звичайного 32 кГц годинного кристалу. Модуль ACLK може використатися як фонова система реального часу з функцією самостійного «пробудження». Інтегрований високошвидкісний осцилятор із цифровим керуванням (DCO) може бути джерелом основного тактування (MCLK) для ЦПУ й високошвидкісних периферійних пристроїв. Модуль DCO стає активним і стабільним менш ніж через 6 мкс після запуску. Вирішення на основі архітектури MSP430 дозволяють ефективно використати високопродуктивне 16-розрядне CPU у дуже малі проміжки часу: низькочастотна допоміжна система тактування забезпечує роботу мікроконтролера в режимі ультранизького споживання потужності; активізація основного високошвидкісного модуля тактування дозволяє виконати швидку обробку сигналів. [12]

Рисунок 3.1 – Архітектура MSP430

Початкова адреса Flash-пам'яті залежить від обсягу наявної пам'яті й розрізняється для різних пристроїв. Flash - пам'ять може використатися як для програмного коду, так і для даних. Байти або слова таблиць даних можуть зберігатися й використатися безпосередньо в Flash-пам'яті, що виключає необхідність копіювати ці таблиці в ОЗУ перед подальшим використанням.

Периферійні модулі відображаються в адресному просторі. Адреси зарезервовані для 16-розрядних периферійних модулів, вони доступні за допомогою команд-слів. Якщо використаються однобітні команди, то припускаються лише парні адреси, при цьому старший біт результату завжди буде містити «0». Читання бітів модулів за допомогою команд-слів приведе до появи в старшому біті непередбаченого вмісту. Якщо в біт модуля будуть записуватися дані у вигляді слова, то в регістрі периферійного модуля збережеться тільки молодший біт цього слова, старший буде проігнорований.

При включенні мікроконтролера вивід RST/NMI конфігурується як вивід скидання. Його функціональне призначення визначається в регістрі керування сторожовим таймером WDTCTL. Якщо вивід RST/NMI запрограмований на функцію скидання, центральний периферійний пристрій буде перебувати в стані скидання доти, поки на цьому виводі присутній сигнал низького рівня. Після зміни рівня на цьому вході на рівень «1», центральний периферійний пристрій починає виконувати програму з команди, адреса якої зберігається у векторі скидання .

Універсальний синхронно - асинхронний прийомо - передавач (USART) периферійний інтерфейс підтримує два послідовних режими в одному апаратному модулі. В асинхронному режимі USART підключає MSP430 до зовнішньої системи через два зовнішніх виводи: URXD й UTXD. Режим UASRT має наступні особливості:

- 7- або 8-розрядні дані з перевіркою парності/непарності й без контролю парності;

- незалежні регістри передачі й прийому;

- роздільні буферні регістри передачі й прийому;

- передача й прийом починаються з молодшого біта даних;

- вбудовані комунікаційні протоколи вільної лінії й адресного біта для багатопроцесорних систем;

- визначення в приймачі стартового фронту сигналу для автоматичного пробудження з режимів;

- програмувальна швидкість передачі з модуляцією для підтримки дробових величин швидкостей;

- прапори статусу для виявлення помилок, блокування й визначення адреси;

- можливі незалежні переривання для прийому й передачі.

Модуль АЦП являє собою високоефективний 12-розрядний аналого-цифровий перетворювач. Модуль АЦП12 забезпечує швидкі 12-розрядні аналого-цифрові перетворення. Модуль має 12-розрядне ядро, схему вибірки, опорний генератор і буфер перетворення й керування. Буфер перетворення й керування дозволяє одержувати й зберігати до 16 незалежних вибірок АЦП без втручання ЦПП. АЦП 12 має наступні особливості :

- максимальна швидкість перетворення понад 200 ksps ;

- монотонний 12-розрядний перетворювач без кодів помилок;

- вибірка й зберігання із програмувальними періодами вибірки, обумовленими програмним забезпеченням або таймерами;

- перетворення ініціалізується програмним забезпеченням, таймером А або таймером В;

- програмно-обраний інтегрований генератор опорної напруги (1,5В або 2,5В);

- програмно обране внутрішнє або зовнішнє опорне джерело;

- вісім індивідуально конфігуруючих зовнішніх вхідних каналів;

- канали перетворення для внутрішнього температурного датчика, AVCC і зовнішніх опорних джерел;

- незалежні опорні джерела, що задають шляхом вибору каналу, для обох позитивних і негативних опорних джерел;

- джерело тактування перетворень;

- одноканальний, повторний одноканальний, послідовний і повторно-послідовний режими перетворення;

- ядро АЦП й опорна напруга можуть вимикатися роздільно;

- регістр вектора переривань для швидкого декодування 18 переривань АЦП ;

- 16 регістрів зберігання результату.

Дванадцятирозрядне ядро АЦП перетворює аналоговий вхідний сигнал в 12-розрядне цифрове подання й зберігає результат у пам'яті перетворень. Ядро використає два програмно - обраних рівні напруги (VR+ й VR-) для задавання верхньої й нижньої меж перетворення. На цифровому виході (NADC) представлена повна шкала, коли вхідний сигнал дорівнює або вище VR+, і нуль, коли вхідний сигнал дорівнює або нижче VR-. Вхідний канал й опорні рівні напруги (VR+ й VR-) задаються в пам'яті керування перетвореннями. Формула перетворення для результату АЦП NADC виглядає в такий спосіб:

. (3.1)

Ядро АЦП 12 конфігурується двома керуючими регістрами: ADC12CTL0 й ADC12CTL1. Ядро включається бітом ADC12ON. Якщо ADC12 не використовується, для збереження енергії воно може бути виключено. Біти керування АЦП12 можуть бути модифіковані, тільки коли ENC=0. ENC повинен бути в стані логічної «1» перед виконанням будь-якого перетворення.

Вісім зовнішніх і чотири внутрішніх аналогових сигнали вибираються як канал для перетворення аналоговим вхідним мультиплексором. Вхідний мультиплексор має тип break-before-make (розрив перед включенням), що зменшує інжекцію шумів від каналу до каналу, що виникає при перемиканні каналів. Вхідний мультиплексор також є Т-перемикачем, що мінімізує взаємозв'язок між каналами. Невибрані канали ізольовані від АЦП, а проміжний вузол підключений до аналогової землі (AVSS), тому паразитна ємність заземлюється, що допомагає усувати перехресні перешкоди.

АЦП використовує метод перерозподілу заряду. Коли входи внутрішньо перемикаються, перемикання може привести до перехідних процесів на вхідному сигналі. Ці перехідні процеси загасають і встановлюються до появи помилкового перетворення.

Відмінними рисами мікроконтролерів MSP430 є висока якість виготовлення, невелика кількість апаратних та програмних помилок та наднизьке енегроспоживання

Основні характеристики MSP430F149:

- об’єм Flash-пам’яті 60 Кбайт;

- об’єм оперативної пам’яті 2 Кбайт;

- напруга живлення 1.8 - 3.6 V;

- низьке споживання струму :

- 280 mk, 1MHz, 2.2 V;

- 2.5 mk, 4 kHz, 2.2 V;

- п'ять режимів зниження споживання струму: LPM0-LPM4 (30mk - 0.8mk);

- повернення в робочий режим за 6 mk;

- 16-бітова RISC архітектура, час виконання інструкції - 125 nS;

- єдиний 32 кГц керамічний резонатор, внутрішня системна частота - до 3.3МГц;

- 16-бітовий таймер з 6 регістрами спостереження/порівняння;

- 16-бітовий таймер з 3 регістрами спостереження/порівняння;

- вбудований компаратор;

- 12 розрядний АЦП із джерелом опорної напруги;

- сторожовий таймер (16 біт);

- порти вводу-виводу: 32 ліній;

- два апаратних незалежних послідовних порта введення- виведення USART;

- послідовне програмування (JTAG);

- корпус: 64 QFP.

Перевагами є широко розвинута перефирія, ідеально підходять для керуванням технологічними процесами.

До виводів XIN, XOUT мікроконтролера підключається кварцевий резонатор BQ, який задає частоту роботи контролера. Таке підключення дозволяє дуже точно задати тактову частоту мікроконтролера (розсіювання частот зазвичай становить не більше 0,01%). Такий рівень точності необхідний для організації інтерфейсу мікроконтролера з іншими пристроями. Номінали ємностей конденсаторів в даній схемі підключення визначаються виробником мікроконтролера для конкретної резонансної частоти кварца. При використанні малих ємностей тактові імпульси будуть мати кращу форму, оскільки при підключені дуже великої ємності це призведе до деградації форми імпульсів і мікроконтролер не буде запускатися. Запуск мікроконтролера повинен відбуватись лише тоді, коли встановилась необхідна напруга живлення. Для цього використовують вивід RESET (скидання мікроконтролера в початковий стан).

В мікроконтролер вбудований датчик температури за допомогою якого можна контролювати та вимірювати температуру.