a-1≠0

ЦИФРОВАЯ СИСТЕМА
УПРАВЛЕНИЯ
PhD Olga Ruban
Применение компьютера в
управлении процессом
внешняя среда
ввод сырья
ввод энергии
выход продукта
выход энергии
физический /
технический процесс
вывод
информации
ввод
информации
ввод
вывод
компьютер
5/7/2016
2
Цифровая система управления 1
Управление техническим процессом существенно
отличается от обычной обработки данных.
Здесь обработка данных следует за событиями
во внешнем мире, т.е. процессом.
Цифровая система управления должна достаточно
быстро реагировать на внешние события и
постоянно обрабатывать поток входных данных,
чаще всего не имея возможности изменить их
количество или скорость поступления.
5/7/2016
3
Цифровая система управления 2
 Одновременно может потребоваться и выполнение
других операций, например обмен информацией с
оператором, вывод данных на экран и реакция на
определенные сигналы. Этот режим обработки
данных оказался настолько важным, что получил
специальное название — режим реального времени
(real-time mode).
 Во всех системах управления имеются одинаковые
функциональные блоки — сбор данных, обмен
данными с другими контроллерами и компьютерами
и взаимодействие с человеком - оператором.
5/7/2016
4
Cистема цифрового управления
 В общем случае система цифрового управления
физическим/техническим процессом состоит из
следующих компонентов
 управляющего элемента;
 каналов обмена информацией;
 аналого-цифровых и цифро-аналоговых
преобразователей (АЦП и ЦАП);
 датчиков и исполнительных механизмов;
 собственно физического/технического процесса.
5/7/2016
5
Основная структура системы цифрового
управления процессом
аналоговые
сигналы
датчики и
исполнительные
механизмы
цифровые
данные
АЦП и ЦАП
сетевой
интерфейс
Цифровые сигналы
сеть передачи
данных или
системная шина
физический /
технический
процесс
5/7/2016
управляющая
ЭВМ
6
Схема ввода/вывода в системе «процессуправляющий компьютер»
Виды сигналов
 Сигнал определяется как напряжение или ток,
который может быть передан как сообщение или
как информация.
 По своей природе все сигналы являются
аналоговыми, будь то сигнал постоянного или
переменного тока, цифровой или импульсный.
 Тем не менее, принято делать различие между
аналоговыми и цифровыми сигналами.
5/7/2016
8
Цифровые измерительные
системы и их компоненты I
В микропроцессорных измерительных
системах прямые измерения составляют
лишь незначительную часть всего
процесса нахождения значения
измеряемой физической величины,
Второй и главной частью этого процесса
являются операции хранения, передачи и
обработки результатов прямых
измерений, представленных в цифровом
виде.
Представление цифровых
результатов измерений
Представление цифрового результата измерений в
контроллере и компьютере возможно в одном из двух
форматов:
 в формате числа с фиксированной запятой;
 в формате числа с плавающей запятой
A  M  R ,
B
где M=(0, a-1…a-m) – нормализованная мантисса
(a-1≠0) в R- ичной системе счисления с m
значащими цифрами, а B=±br…b2b1 –
целочисленный порядок числа (bi ≤ R-1)
Цифровые измерительные
системы и их компоненты II
 Требования к точности измерений и
вычислений и способы их обеспечения
принципиально различны
 Для двоичных чисел, представленных в
формате с плавающей запятой,
дополнительный байт мантиссы дает
возможность увеличить точность
представления числа в 256 раз. Такое
существенное и при этом легко
реализуемое повышение точности
невозможно при аналоговых измерениях.
Хранение и передача результатов
измерений в цифровых измерительных
системах
Результаты измерений хранятся в цифровой памяти
и передаются по линиям или каналам связи между
разными компонентами системы.
Передача данных в цифровых системах
производится по цифровым интерфейсам
(например, по интерфейсам физического уровня
RS-232, RS - 485) с протоколами, где
обеспечивается защита данных от искажений за
счёт применения защитных кодов.
ОБРАБОТКА СИГНАЛОВ

Дискретизация аналоговых сигналов


Мультиплексирование и АЦ-преобразование
измерительной информации
Определение интервала дискретизации


Преобразование аналоговых сигналов и цифровых.
Цифро-аналоговое преобразование


Аналого-цифровое преобразование
Аналоговая фильтрация.


Фильтр высокой частоты
Фильтры низкой частоты первого порядка Фильтры
низкой частоты высоких порядков
Дискретизация сигналов (Samplingвыборка)

Дискретизация, оцифровка, квантование-представляет собой
считывание сигнала только в определённые моменты времени; этот
процесс реализуется в компьютере специальной схемой.
Дискретизация включает мультиплексирование и АЦпреобразование. Эти операции синхронизированы с помощью
задающего таймера - Цифровые часы (watchdog)
5/7/2016
14
Мультиплексоры (multiplexer)
Различные элементы системы должны совместно использовать некоторые ограниченые
ресурсы, например входной порт компьютера или длинный сигнальный кабель, по кторому
передаётся информация от нескольких датчиков. Мультиплексирование (multiplexing)
позволяет компьютеру в любой момент времени выбирать, сигнал какого датчика
необходимо считать. Мультиплексор можно рассматривать как переключатель (коммутатор),
соединяющий компьютер в каждый момент времени только с одним датчиком.
Входы А и В адресные входы этого, 4-х
входового мультиплексора. Они выбирают,
с какого из четырех информационных
входов данные будут передаваться на
выход, X.
Дискретизация сигналов (Sampling- выборка)
При A/D преобразовании аналоговый сигнал выбирается в
данной точке, и выбранное значение преобразовывается в
двоичное число. Так как это требует определенного интервала
времени, число выборок аналогового сигнала за время
ограничено.
Частота, с которой преобразуется сигнал, называется скоростью
преобразования (sampling rate).
Частота выборки 1
Чтобы представить аналоговую форму волны, частотa должна быть больше, чем 2
максимальных частоты аналогового сигнала. Теоретический минимальный предел
нормы осуществления выборки известен как Nyquist частота.
Очевидно, большее число выборок за цикл аналогового сигнала приводит к более
точному представлению аналогового сигнала. Это показано для 2 различных частот.
Более высокая частота выборки приводит к более точному результату.
5/7/2016
17
Частота выборки - Определение интервала
дискретизации




Если интервал дискретизации слишком велик, т.е частота выборки
слишком мала, то компьютер получит неверную картину исходного
сигнала.
В то же время слишком малый интервал, выполняет неоправданно
много вычислений.
Кроме того, чем больше быстродейстаие тем дороже устройство.
Другими словами, частота выборки должна быть достаточной для
последующего восстановления аналогового сигнала из дискретного.
5/7/2016
18
Точность (accuracy)


Точность ADC строго коррелируется с его разрешением но и
зависит от соотношения сигнал-шум (Signal to Noise Ratio
(SNR).Обычно добавление 1 bit разрешения равно 6 dB усилению в
SNR.
Сама по себе дискретизация происходит очень быстро. Однако во
время АЦ-преобразования не должно быть каких-либо изменений
во входном сигнале которые могли бы повлиять на цифровой
выход. Это обеспечивается операцией выборки и хранения
(sample-and-hold) в каждом цикле дискретизации-значение
аналогового сигнала считывается в начале каждого интервала и
остаётся постоянным в течении всего времени АЦ-преобразрвания.
5/7/2016
19
Преобразование аналоговых величин в дигитальные.
Оцифровка входов от датчиков
A/D преобразователь преобразовывает непрерывный
аналоговый сигнал в последовательность двоичных чисел.
Характеристики A/D:
Разрешение. Чем больше бит, тем точнее преобразование и тем
больше разрешение, потому что больше величин данного
аналогового сигнала м.б. представлено.
Время преобразования - время от микросек до миллисекунд
Ошибка квантования - изменение величины аналогового
сигнала в течение времени квантования
Концепция преобразования
5/7/2016
21
Разрешение (Resolution) - наименьшее изменение в
аналоговом напряжении, которое будет вызывать
изменение в 1 бит на дигитальном выходе АDC.

Полная шкала измерений: -5 до 5 Вольт. ADC разрешение 12
bits:

ADC разрешение в Вольтах:
5V   5V 
 0.0024V  2.4mV
4096
Примеры
 ADC с разрешением 12 bits, даёт 4 096 дискретных величин, т.е.
2^12 = 4096;
 Если разрешение 16 bits, ADC даёт 65 536 дискретных
величин.
5/7/2016
22
Разрешение
8-битовый АDC
Это означает, что 0,03 В на аналоговом входе АDC не могут
вызвать изменения дигитального выхода. Число битов на выходе
АDC определяет «разрешение» или точность.
10-битовый АDC
Если 10-битовый АDC, то возможно использовать
различных дигитальных величин и для полной
шкалы аналогового от 0 до 10 В
Шаг одного бита соответствует
изменению
N -битовый АDC
Если 12-битовый АDC, то число дигитальных величин
и для шкалы от 0 до 10 В один бит соответствует изменению
аналогового сигнала на 10/4095, т.е. 2,4 мВ.
В общем случае «разрешение» n -битового АDC:
Аналогово-цифровое преобразование 8-битового
преобразователя, когда входной сигнал меняется от 0 до
10 В.
Это преобразование сопровождается потерей разрешения,
которое зависит от числа бит.
Потеря в разрешении
АDC преобразование сопровождается потерей в
разрешении, которая зависит от числа битов.
Пример.
8-ми битовый байт представляет целые числа в пределе
0 – 255. Если измеряемый сигнал с датчика (например,
расхода) лежит в пределах 0–1800 л/мин, один бит
представляет примерно 7 л/мин (1800/255). Это
означает, что расход 138 л/мин не может
обрабатываться 8-ми битовой системой, (от 134 л/мин
она перепрыгнет к 141 л/мин).
Точность
Большинство промышленных датчиков имеют точность 0.1% и
12-ти битовое преобразование будет добавлять маленькую
ошибку.
Пример. Нужно установить температуру + или – 1 градус , тогда
типично ошибка 1/10 градуса. Если аналоговый пареобразователь
12-бит, и температурный диапазон для датчика от 0 до 4000 С, то
«теоретическая» точность д. б. рассчитана
Цифро-аналоговое преобразование (DAC)
Цифро-аналоговое преобразоание - генерация аналогового сигнала с
уровнем напряжения, соответствующим цифровому значению на
входе.
ЦА используется для передачи управляющего сигнала от компьютера исполнительному
механизму или регулятору.
ЦА-преобразование - обратно аналого-цифровому.
Цифро-аналоговый преобразователь (ЦАП) вырабатывает выходной сигнал, линейно
зависящий от n-битного цифрового сигнала.
Цифро-аналоговый преобразователь с каскадом сопротивлений
Цифро-аналоговое преобразование (DAC)
8-ми битовый DAC
Если 8-ми битовый DAC, то его выход
производит величины напряжений
аналоговых сигналов.
Предположим, что выходной диапазон
есть 10 В DC.
Тогда 1 бит даёт на выход
Полусумматор
Законы сложения:
0+0=0
0
0+1=1
0
1
1+0=1
1
1+1=10
A
0
0
0
0
1
1
1
1
Таблица истинности
0
1
0
1
0
1
1
0
Полусумматор (Half-adder)
B
0
1
0
1
0
1
0
1
Cout
0
0
0
1
0
1
1
0
∑
0
1
1
0
Выход ∑=1,если входные величины не равны – exclusive OR
Cout =AB
Сумматор ( Adder)
Таблица истинности для полного одноразрядного
сумматора.
A
B
Cin
Cout
∑
0
0
0
0
0
0
1
0
0
1
1
0
0
0
1
1
1
0
1
0
0
0
1
0
1
0
1
1
1
0
1
0
1
1
0
1
1
1
1
1
Сумматором – называется комбинационное логическое
устройство, предназначенное для выполнения операции
арифметического сложения чисел в двоичном коде.
Шифратор (Coder)
Шифратор (кодер, энкодер) - это микросхема, которая
преобразует код одной системы счисления в код другой системы.
Наибольшее распространение в электронике получили
шифраторы, преобразующие позиционный десятичный код, в
параллельный двоичный.
Обозначение шифратора на
принципиальной схеме.
Оптический энкодер
Оптический энкодер: 4 битовый
2-ое кодирование имеет недостаток: все биты должны
мгновенно преобразовываться в и входной модуль
микропроцессора делает это с разным временем задержки.
Поэтому используется код, где меняется только 1 бит при
каждом переходе о одного числа к другому – код Грея.
Энкодер даёт 360 позиций 0-359 на оборот и выход в
градусах. Это требует 9 бит, так что полный диапазон 0511.
Дешифратор (Decoder)
Дешифраторы могут преобразовывать двоичный код в разные
системы счисления (десятичную, шестнадцатиричную и пр.). Всё
зависит от конкретной цели и назначения микросхемы.
DeCoder – декодер - Дешифратор
Компаратор (Comparator)
 Спасибо за внимание!
5/7/2016
37