Разработка микроконтроллерного ампервольтметра

Чертеж №3.cdw

Чертеж №1.cdw

Чертеж №2.cdw

* Размер для справок
Плату изготовит химическим методом.
Плата должна соответствовать ГОСТ 23.752-79
Шаг координатной сетки 1 мм.
размер контактных площадок 1 мм
отверсимя метализированы.
Конфигурацию проводников выдерживать по координатной сетки
Допускается округление углов контактных площадок и проводников
Предел отклоненияразмеров между осями двух любых монтажных
Покрытие печатных проводников и печатных площадок сплавом РОЗЕ
Диаметр отверстия мм
Наличие метализации в

Чертеж №3.cdw

Чертеж №1.cdw

Чертеж №2.cdw

* Размер для справок
Плату изготовит химическим методом.
Плата должна соответствовать ГОСТ 23.752-79
Шаг координатной сетки 1 мм.
размер контактных площадок 1 мм
отверсимя метализированы.
Конфигурацию проводников выдерживать по координатной сетки
Допускается округление углов контактных площадок и проводников
Предел отклоненияразмеров между осями двух любых монтажных
Покрытие печатных проводников и печатных площадок сплавом РОЗЕ
Диаметр отверстия мм
Наличие метализации в

Чертеж №3.cdw

Чертеж №1.cdw

Чертеж №2.cdw

* Размер для справок
Плату изготовит химическим методом.
Плата должна соответствовать ГОСТ 23.752-79
Шаг координатной сетки 1 мм.
размер контактных площадок 1 мм
отверсимя метализированы.
Конфигурацию проводников выдерживать по координатной сетки
Допускается округление углов контактных площадок и проводников
Предел отклоненияразмеров между осями двух любых монтажных
Покрытие печатных проводников и печатных площадок сплавом РОЗЕ
Диаметр отверстия мм
Наличие метализации в

Чертеж №1.dwg

Чертеж №3.dwg

Чертеж №2.dwg

* Размер для справок
Плату изготовит химическим методом.
Плата должна соответствовать ГОСТ 23.752-79
Шаг координатной сетки 1 мм.
размер контактных площадок 1 мм
отверсимя метализированы.
Конфигурацию проводников выдерживать по координатной сетки
Допускается округление углов контактных площадок и проводников
Предел отклоненияразмеров между осями двух любых монтажных
Покрытие печатных проводников и печатных площадок сплавом РОЗЕ
Диаметр отверстия мм
Наличие метализации в

Чертеж №1.dwg

Чертеж №3.dwg

Чертеж №2.dwg

* Размер для справок
Плату изготовит химическим методом.
Плата должна соответствовать ГОСТ 23.752-79
Шаг координатной сетки 1 мм.
размер контактных площадок 1 мм
отверсимя метализированы.
Конфигурацию проводников выдерживать по координатной сетки
Допускается округление углов контактных площадок и проводников
Предел отклоненияразмеров между осями двух любых монтажных
Покрытие печатных проводников и печатных площадок сплавом РОЗЕ
Диаметр отверстия мм
Наличие метализации в

ПЗ.doc

В связи с тенденцией информатизации и запросами улучшения качества поверки измерительной техники необходимо создать прибор повышенной точности и автоматической регистрации полученных результатов с последующим выводом их на ПЭВМ в удобочитаемой форме.
Для решения этой задачи прибегнем к использованию микропроцессора фирмы Cygnal семейства C8051F020 из-за его дешевизны и высокого качества. Микропроцессор дает возможность высокоточной и быстрой передачи результатов для последующей обработки на ПЭВМ. ПВЭМ с помощью СПО дает возможность обрабатывать результаты в простом и дружественном интерфейсе с последующей статистикой и аналитикой полученных результатов и выводом их на различные носители информации.
Микропроцессор фирмы Cygnal представляет собой микроконтроллер изображенный на рис 1.1
Рис 1.1 Структурная схема микроконтроллера Cygnal C8051F020
Микроконтроллеры (МК) C8051F020 представляют собой полностью интегрированные на одном кристалле системы для обработки смешанных (аналого-цифровых) сигналов которые имеют 64 (C8051F0202) или 32 (C8051F0213) цифровых входавыхода. Отличительные особенности данного семейства МК перечислены ниже. Сравнительная характеристика МК приведена в таблице1.1.
- Высокопроизводительное микропроцессорное ядро CIP-51 с конвейерной архитектурой совместимое со стандартом 8051 (максимальная производительность – 25 MIPS).
- Встроенные средства отладки обеспечивающие внутрисистемную «неразрушающую» отладку в режиме реального времени.
- 12-разрядный (C8051F0201) или 10-разрядный (C8051F0223) 8-канальный АЦП (максимальная производительность – 100 тыс. преобр.сек.) с программируемым усилителем и аналоговым мультиплексором.
- 8-разрядный 8-канальный АЦП (максимальная производительность – 500 тыс. преобр.сек.) с программируемым усилителем и аналоговым мультиплексором.
- Два 12-разрядных ЦАП с программируемым обновлением выходного сигнала.
- 64 Кбайта Flash-памяти программируемой внутрисистемно.
- 4352 (4096 + 256) байт встроенного ОЗУ.
- Интерфейс внешней памяти данных с доступным адресным пространством 64 Кбайта.
- Аппаратно реализованные последовательные интерфейсы I2CSMBus SPI и два УАПП.
- Пять 16-разрядных таймеров общего назначения.
- Программируемый массив счетчиковтаймеров (ПМС) с пятью модулями захватасравнения.
- Встроенные сторожевой таймер схема слежения за напряжением питания и датчик температуры.
Все МК имеют встроенные схему слежения за напряжением питания сторожевой таймер тактовый генератор и представляют собой таким образом функционально-законченную систему на кристалле. Все аналоговые и цифровые периферийные модули могут включатьсяотключаться и настраиваться программой пользователя. Имеется возможность внутрисхемного программирования Flash-памяти что обеспечивает долговременное (энергонезависимое) хранение данных а также позволяет осуществлять обновление программного обеспечения в готовых изделиях.
Встроенный интерфейс JTAG позволяет производить «неразрушающую» (не используются внутренние ресурсы) внутрисхемную отладку в режиме реального времени используя МК установленные в конечное изделие. Средства отладки обеспечивают проверку и модификацию памяти и регистров расстановку точек останова и временных меток пошаговое исполнение программы а также поддерживают команды запуска и остановки. В процессе отладки с использованием интерфейса JTAG все аналоговые и цифровые периферийные модули полностью сохраняют свою работоспособность.
Аналогово-цифровой преобразователь.
В цифровых ампервольтметрах должно сниматься сразу два параметра ток и напряжения. Для решения данной задачи можно прибегнуть к девяти канальному АЦП микроконтроллера Cygnal. Структурная схема 9 канального АЦП изображена на Рис 2.1
Рис 2.1 Структурная схема 9 канального АЦП.
МК C8051F0201 имеют встроенный 12-разрядный АЦП (АЦП0) последовательного приближения с 9-канальным входным мультиплексором и программируемым усилителем. При максимальной производительности 100 тыс. преобразований в секунду АЦП обеспечивает 12-битную точность преобразования с нелинейностью на уровне ±1МЗР. МК C8051F0223 имеют встроенный 10-разрядный АЦП последовательного приближения с аналогичными характеристиками и возможностями настройки. В качестве опорного напряжения АЦП0 может использоваться выходной сигнал ЦАП0 и внешнее напряжение с вывода VREF. В МК C8051F0201 АЦП0 имеет собственный отдельный вывод входа в МК C8051F0223 АЦП0 и 8-разрядный АЦП1 совместно используют вывод входа VREFA. Встроенный источник опорного напряжения (00015%ºС) генерирует и выдает на вывод VREF опорное напряжение которое может использоваться для встроенных АЦП и других компонентов системы.
Управление АЦП осуществляется при помощи регистров специального назначения. Один входной канал подключен к внутреннему датчику температуры остальные восемь каналов доступны извне. Каждая пара из восьми внешних входных каналов может быть настроена как два одиночных входа или как один дифференциальный вход. Имеется возможность отключения АЦП с целью уменьшения энергопотребления.
К выходу аналогового мультиплексора подключен усилитель с программируемым коэффициентом усиления. Коэффициент усиления можно задать программно от 05 до 16 с кратностью 2. Усилитель может быть крайне полезен когда сигналы на разных входных каналах АЦП сильно отличаются друг от друга либо когда необходимо оценить сигнал с большим смещением постоянной составляющей (в дифференциальном режиме для формирования напряжения смещения постоянной составляющей может использоваться ЦАП).
Преобразование может быть запущено четырьмя способами: командой в программе при переполнении таймера 2 при переполнении таймера 3 или внешним входным сигналом. Такая гибкость позволяет запускать преобразование при возникновении определенных программных событий по сигналам от внешних устройств или преобразовывать непрерывно. По окончании преобразования устанавливается специальный бит состояния и инициируется прерывание если оно разрешено после чего полученное 10- или 12-разрядное слово данных АЦП записывается в два регистра специального назначения. Результат преобразования может быть выровнен вправо или влево (задается программно).
АЦП может быть настроен таким образом чтобы генерировать прерывание лишь при попадании или непопадании результата преобразования в заданный диапазон значений (окно). АЦП может непрерывно отслеживать сигнал в фоновом режиме но не прерывать МК до тех пор пока преобразованные данные находятся в пределах заданного окна.
1 Одно-градиентный переход АЦП
Рис 2.1.1 Одно-градиентный переход АЦП
Для аналого-цифрового преобразования используется стандартная одно-градиентная технология. Аналоговый мультиплексор в первом цикле выбирает сигнальный вход а во втором – опорный сигнал. После выборки сигнал сравнивается с опорным пилообразным сигналом. В момент когда пилообразный сигнал достигает значения выбранного мультиплексором сигнала происходит переключение таймера захвата. Таким образом имея временные интервалы пропорциональные величинам входного и опорного напряжений мы может рассчитать величину входного напряжения по формуле:
V [n] = Vref x (tv tref)
Где V [n] - последовательность состоящая из мгновенных значений V (n x tc).
2 Формирование импульсов пилообразного сигнала
Рис 2.2.1 Генератор пилообразного сигнала
Генератор пилообразного сигнала построен на базе интегратора на основе операционного усилителя (ОУ). При подаче на вход постоянного напряжения через емкость С потечет постоянный ток равный (Vbias-Vctrl)R. Этот ток сформирует на выходе ОУ линейное пилообразное напряжение.
2.1 Период пилообразного сигнала
Рис 3. Период пилообразного сигнала
Рассмотрим рисунок 3: если Vctrl устанавливается в ноль в момент времени t = 0 то на выходе операционного усилителя Vramp начинает формироваться пилообразный сигнал начинающийся с нуля. В момент времени t1 на входе Vctrl устанавливается напряжение питания Vcc и выходное напряжение Vramp достигнув своего максимального значения Vmax начинает пилообразно уменьшаться. И за период времени равный t2 на выходе Vramp снова установится нулевое значение. Подав на вход Vctrl нулевой потенциал мы запустим цикл заново.
тогда C = Ic (dVcdt)
или C = ((Vbias - Vctrl) R) (d (Vramp-Vbias)dt)
или ?t = RC x ?Vramp (Vbias-Vctrl)
следовательно t1 = RC x Vmax Vbias
а t2 = RC x Vmax (Vcc - Vbias)
Таким образом длительность цикла будет равняться:
tc = t1 + t2 = RC x Vmax x ((1 Vbias) + (1 (Vcc-Vbias)))
Это уравнение позволяет выбрать значение RC по заданной частоте дискретизации. Кроме того следует учитывать следующие замечания:
Для максимизации входного динамического диапазона Vmax должен быть как можно большим. Оно должно равняться выходному напряжению насыщения ОУ или максимальному входному напряжению компаратора (если оно меньше напряжения насыщения).
Из рисунка 2 видно что Vbias должно быть как можно меньше. Для одно-градиентного АЦП нас интересует только отрезок нарастания пилообразного сигнала а поэтому время спада должно быть минимальным (необходимо обеспечить t1>> t2). Маленькое значение Vbias позволяет получить большое t1 и маленькое t2.
Небольшое улучшение может быть достигнуто путем выбора немного меньшего значения RC чем было полученно в результате расчета. Это позволяет гарантировать при заряде и разряде начальные условия 0 и Vmax. Неизвестные начальные условия могут вызвать смещение пилообразного сигнала вверх или вниз.
Из-за программной регулировки задержки фактическая сумма t1 + t2 будет меньше чем tc. Это другая причина вызывающая необходимость обеспечения меньшего значения RC.
2.2 Контрольное значение
Частота дискретизации = 995 Гц => tc = 1 (2 x 995)
Если выбрать C = 1000 пФ то получаем R = 75.8 кОм. Для снижения значения RC выберите R = 68 кОм (или даже 62 кОм).
2.3 Измерение временных параметров пилообразного сигнала
Таймер захвата C8051F020 может быть легко настроен на фиксацию данных по выходному сигналу компаратора. Но нет никакого внешнего аппаратного управления для запуска таймера в начале периода пилообразного сигнала. В нашем случае начло пилообразного сигнала фиксируется путем сравнения пилообразного сигнала с небольшим фиксированным пороговым напряжением. Время нарастания пилообразного сигнала до порогового значения определяется при подаче на вход опорного сигнала.
Рис 2.2.3.1 Измерение временных параметров пилообразного сигнала
Из рис 2.2.3.1 получаем:
Vref (tref' + tt) = Vt tt
Отсюда следует tt = tref' x (Vt (Vref - Vt ))
Где Kt = Vt (Vref - Vt )
Как видно из формулы после измерения необходимо производить умножение поэтому рекомендуется выбрать параметры таким образом чтобы Kt было простым значением что позволит заменить простым сдвигом или суммированиемвычитанием подпрограмму вычисления произведения требующую высокой производительности микроконтроллера.
3 Двухдиапазонный АЦП для канала измерения тока
Среднее квадратичное значение напряжения на входе изменяется в небольших пределах. Однако среднее квадратичное значение тока на входе изменяется в широких пределах в зависимости от величины и типа нагрузки. Из этого следует что необходимо применять АЦП с высоким разрешением или АЦП с низким разрешением но изменяющимся входным динамическим диапазоном. Чтобы перекрыть входной диапазон от 5 % до 400 % с ошибкой измерения не более +-1% требуется обеспечить минимальный динамический диапазон 4005 x 100 (1+1) = 4000. Для этого требуется АЦП с разрешением не менее 12 бит. Для одно-градиентного АЦП имеется зависимость между разрешающей способностью частотой дискретизации и шумами. Наиболее удобно работать при 10 битном разрешении. 12 битное разрешение может быть обеспечено за счет добавления внешнего четырехкратного усиления для малых сигналов. Даже с учетом того что реальная разрешающая способность равна 10 битам в описываемом устройстве обеспечивается эффективная разрешающая способность равная приблизительно разрешающей способности 11 битного АЦП.
Рис 2.3.1 Структурная схема двухдиапазонного АЦП
На рис 2.3.1 показана структурная схема двухдиапазонного АЦП. Он состоит из однодиапазонного АЦП и внешнего устройства обеспечивающего четырехкратное усиление малых сигналов. Теоретически коэффициенты усиления всех перемножителей G1 G2 1G1 и 1G2 должны равняться единице однако на практике обеспечить это не удается из-за разброса параметров внешних дискретных компонентов. Для компенсации этого расхождения вводят дополнительные узлы С1 и С2. Это позволяет увеличить согласованность каналов. C1 и C2 компенсируют отклонение коэффициента усиления G1' и G2' от коэффициентов усиления G1 и G2. Поэтому стараются добиться истинности равенств C1 = G1G1' и C2 = G2G2'. Так как коэффициент усиления узлов G1' и G2' неизвестен и изменяется от устройства к устройству то после изготовления необходимо произвести калибровку а вычисленные значения C1 и C2 должны быть сохранены EEPROM памяти для дальнейшего использования. В нормальном режиме (или режиме малого усиления) нижние на схеме выключатели замкнуты а верхние - разомкнуты. При использовании в качестве опорного сигнала напряжение Vref получаем:
I' [n] = Vref x (ti tref).
I' [n] = I [n] x G2'
а Iref = Ilow = VrefG2 x C2=VrefG2'.
Следовательно I [n] x G2' = (Iref x G2') x (ti tref)
то есть I [n] = Iref x (ti tref)
В правой части уравнения записано стандартное равенство для вычисления значения измеренного при помощи одно-градиентного АЦП при использовании опорного тока Iref. Это означает что на выходе мы получим Iad [n] = I [n]. И окончательный результат: Iout [[n] = 4 x Iad [n] = 4I [n].
В режиме большого усиления верхние по схеме выключатели замкнуты а нижние - разомкнуты. Тогда используя те же выражения получаем:
Но теперь I' [n] = 4I [n] x G1
а Iref = Ihigh = Vref G1.
Следовательно 4I [n] x G1 = (Iref x G1) x (ti tref).
Тогда 4I [n] = Iref x (ti tref)
или 4I [n] = Iad [n]
В результате чего получаем: Iout [n] = Iad [n] = 4I [n].
В обоих случаях мы обеспечили на выходе одинаковые результат и точность. Дополнительное четырехкратное усиление в режиме малого усиления компенсирует внешнее усиление в режиме высокого усиления. Другой способ расширения динамического диапазона состоит в подавлении больших сигналов при этом малые сигналы не изменяются. Но это нежелательно так как это уменьшает амплитуду и количество значащих цифр что ведет к увеличению ошибки вычисления.
4 Автоматическое переключение коэффициента усиления мультиплексора АЦП.
Переключение коэффициента усиления у двухдиапазонного АЦП должно выполняться автоматически. В начале раздела 2.3 говорилось что максимальное выходное значение АЦП равное 4000 соответствует 400 % входного тока. В режиме высокого коэффициента усиления малого входного сигнала 10 битный АЦП перекрывает диапазон равный 1024 или примерно 100 %. В режиме малого коэффициента усиления больших входных сигналов 10 битный АЦП с коэффициентом усиления равным 4 способен перекрыть диапазон от 4 до 4096 или приблизительно от 4 % до 400 %. Это означает что любой сигнал в диапазоне от 4 % до 100 % может быть оцифрован при любом коэффициенте усиления. В данном примере применения диапазоны при работе в режиме малого и большого коэффициента усиления перекрывают друг друга. Это позволяет обеспечить гистерезис исключающий частые переключения между двумя диапазонами. В системе реализованы два диапазона: от 5 % до 80 % для большого коэффициента усиления и от 60 % до 400 % для малого коэффициента усиления. Выбор этих диапазонов был сделан произвольно но довольно разумно так как обеспечивает 20%-ое перекрытие и максимальное значение на 20 % ниже граничного значения (100 %-80 % в режиме большого коэффициента усиления).
Защита от внешнего вмешательства
В некоторых странах воровство электроэнергии путем незаконного вмешательства в работу электросчетчика является серьезной проблемой. Ниже показаны некоторые возможные методы вмешательства.
(a) Нормальное включение I1 = I2
(b) Вмешательство путем половинного заземления нагрузки I1 I2
(c) Вмешательство путем полного заземления нагрузки I1 = 0 Рисунок 6. Примеры вмешательства в работу электросчетчиков
Основным способом вмешательства является снижение или полное закрытие протекание тока через датчик установленный на фазе или нейтрале. Если ток взять только от одной линии (фазы или нейтрали) то электросчетчик будет измерять более низкое или вообще нулевое потребление. Самым простым способом предотвращения последствий этих действий является измерение тока в обеих линиях и использование для расчета большего тока. Однако для этого потребуется использовать дополнительный канал аналого-цифрового преобразования. Добавление еще одного канала АЦП обычно ведет к существенному удорожанию системы. К счастью таймер захвата C8051F020C11x обеспечивает три канала АЦП почти за ту же самую стоимость что и два канала.
Потоки данных в системе
Рис 4.1. Структурная схема внутренних потоков данных
Понимание направления движения и назначения потоков - ключ к пониманию работы системы. На рис 4.1 показаны все внутренние потоки данных во всех узлах за исключением высоковольтного преобразователя и преобразователя энергия-импульс. Сначала от оконечных устройств входное напряжение и оба входных тока после понижения (или повышения) поступают в трехканальный АЦП где производится их одновременная выборка. В канале измерения напряжения используется однодиапозонный АЦП. А в обоих каналах измерения тока используются АЦП с дополнительными усилителями. Регулятор усиления обеспечивает автоматическую регулировку усиления усилителей обоих АЦП.
Схема подавления постоянной составляющей позволяет выделить переменные составляющие напряжения и тока (V [n] 4i1 [n] и 4i2 [n]). Схема выбора тока обеспечивает подключение того канала ток в котором больше. При помощи ФНЧ можно выделить среднее значение потребляемой энергии 4VA. Это значение подается на выходной преобразователь энергия-импульс который управляет дисковым электромеханическим или другим индикатором.
Хотя большинство резисторов номинал которых влияет на коэффициент усиления имеют высокую точность калибровка устройства все равно должна быть произведена. Несмотря на то что каналы измерения напряжения и тока разделены калибровка должна производиться при помощи измерителя мощности. Так как имеется два канала измерения тока то получаем четыре точки калибровки. Такие операции дороги и трудоемки. Поэтому автоматический метод калибровки позволяет упростить устройство.
Генератор сигналов низкочастотный ГЗ-102
Магазин сопротивлений МСД-63
Стабилизованный источник постоянного напряжения с защитой от перегрузок
Прибор микроконтроллерный амперметр
Идея метода калибровки состоит в измерении времени формирования заданного количества импульсов эталонным измерителем подключенным параллельно. Отношение времен позволит скорректировать ошибку измерения. Коэффициенты коррекции могут быть записаны в EEPROM память и использованы при дальнейших вычислениях.
Мирский Г.Я. Электронные измерения. Москва «Радио и связь» 1986г.
Вострокнутов Н.Н. Испытания и поверка цифровых измерительных устройств. Москва 1977г.
Хромой Б.П. Электро радио измерения. Москва «Радио и связь» 1985г.
Справочник по радиоизмерительным приборам под редакцией Насонова В.С. Москва Сов. Радио 1976г.
О.Николайчук Техническое описание микроконтроллеров фирмы Cygnal x51 Москва ООО«Скимен» 2002
Методические указания к выполнению курсовых работ по дисциплине «поверка средств радиоэлектронных измерений». Москва 1984г

Титульный лист.doc

По дисциплине: Детали приборов и основы конструирования
На тему: “Разработка микроконтроллерного ампервольтметра”.

Содержание.doc

Аналогово-цифровой преобразователь
Одно-градиентный переход АЦП
Формирование импульсов пилообразного сигнала
Период пилообразного сигнала
Контрольное значение
Измерение временных параметров пилообразного сигнала
Двухдиапазонный АЦП для канала измерения тока
Автоматическое переключение коэффициента усиления мультиплексора АЦП
Защита от внешнего вмешательства
Потоки данных в системе