Алгоритм работы и применение универсальных импульсных регистраторов
Л.
В. КотинБиблиографическое описание статьи для цитирования:
Котин
Л.
В. Алгоритм работы и применение универсальных импульсных регистраторов // Научно-методический электронный журнал «Концепт». –
2016. – Т. 11. – С.
3481–3485. – URL:
http://e-koncept.ru/2016/86734.htm.
Аннотация. В статье описывается алгоритм работы универсального импульсного регистратора, приводятся примеры его практического использования, даны иллюстрации примеров его работы, описаны области применения и преимущества использования данного прибора.
Текст статьи
Котин Леонид Валерьевич,студент ФГАОУ ВО «Южный федеральный университет», г.РостовнаДонуkotinlv@rambler.ruАлгоритм работы и применение универсальных импульсных регистраторов
Аннотация.Встатье описывается алгоритм работыуниверсального импульсного регистратора, приводятся примерыего практического использования, даны иллюстрациипримеров его работы, описаны областипримененияи преимущества использования данного прибора.Ключевые слова:импульсный регистратор, расходомер, счётчик, микроконтроллер, измерение.
В технике существует множество процессов, в которых требуется измерение расхода какоголибо вещества или ресурса, электроэнергии, пройденного пути и других подобных параметров. Часто требуется также запись процесса во времени. Для этого используются различные механические устройства.Достижения современной техники позволяют решать задачи измерения, регистрации и записи процессов при помощи малогабаритных, высоконадёжных, требующих минимума обслуживанияэлектронных устройств, не имеющих движущихся механических частей и обладающих большим объёмом памяти.Использование цифровой формы представления данных в микропроцессорной технике требует соответствующего подхода к алгоритмам измерения и записи полученныхданных.Принцип действия импульсных расходомероврегистраторовОснова принципов работырегистратора импульсного расходомера –запись текущего значения точного времени при поступлении каждого импульсана вход регистратора. В случае многоканального регистратора (с несколькими входами от различных источников сигнала) значения времени записываются в индивидуальный для каждого канала (входа) массив данных, либо вместе созначениемвремени записывается номер каналаисточника импульса.При анализе данных импульсного регистратора (в реальном времени или после окончания записи) длительность интервалавременимежду импульсами однозначно преобразуется в скорость или величину расхода. Это значение может быть отображено на индикаторе, а также присвоено соответствующему импульсу для построенияграфика зависимости мгновенной скорости(расхода)от времени. Для сохранения данных достаточно сохранить только значения времени, так как величины скорости или расхода однозначно вычисляются из этих значений с использованием значения цены импульса –величины, показывающей фактическоеизменениеизмеряемой величины на каждый поступивший на вход устройства импульс.Количество импульсов за определённый период времени прямо пропорционально средней скорости процесса за данный период, а по времени между двумя соседними импульсами можно вычислить текущую скорость процесса.Программная реализация принципа работыимпульсного расходомерного регистратораПрограмма может быть написана на языке высокого уровняс последующейкомпиляциейили спомощьюассемблерных команд используемого микроконтроллера. Она и реализует основной принцип работы регистратора –запись в память точного времени поступления каждого импульса. Полученный массив данных и используется для обработки и получения полной информации озаписанном процессе.Для процессов, прекращающихся на длительный период времени, нет необходимости отдельно фиксировать время начала и конца –оно определяется соответственно по времени первого и последнего импульса. Тем не менее, для более рационального использования памяти при записи часто следующих друг за другом импульсов целесообразно записывать не полностью дату и время каждого импульса, а только длительность интервала времени между предыдущим импульсом и текущим. Полное значение времениследует записывать только после длительного перерыва между импульсами. Если регистратор многоканальный, то необходимо также записывать номер канала, по которому поступил импульс, или для каждого входного канала иметь отдельную область памяти для записи импульсов.Для более точной по времени записи импульсов следует организовать работу контроллера так, чтобы импульс вызывал прерывание микроконтроллера, при обработке которого и будет записываться время поступления импульса.РазработкапрограммноймоделирасходомераВ качестве импульсного регистратора может использоваться и обычный персональный компьютер, если запустить на нём специально разработанную программу. В качестве входа для импульсов можно использовать параллельный порт LPT, последовательный порт COMили устройство для приёма импульсов, подключаемое через порт USB. Однако такой вариант обладает меньшей надёжностью и точностью, чем автономное устройство на микроконтроллере, поскольку установленная на компьютере современная операционная система препятствует прямому доступу программ к аппаратным ресурсам, что приводит к увеличению и непостоянности интервала времени между возникновением входного сигнала и его программной обработкой.В целях практического освоения и отладки алгоритма мною разработанапрограммная модель импульсного регистратора, принцип действия которого описан выше. Программная модель реализуется в среде программирования BorlandDelphi7.0, в качестве входа импульсных сигналов используется клавиатура (для тестирования пользователем) и интерфейс RS232 (COMпорт) компьютера (для приёма импульсных сигналов с внешних устройств). Работа с COMпортом реализована с использованием функций WindowsAPI.Программная модель являетсяприложением для операционной системы MicrosoftWindows, имеет графический оконный интерфейс и используется для просмотра файлов с отчётами регистратора и приёма данных о замерах с подключённых к компьютеру внешних устройств.Характеристики выбранного интерфейсаДля приёма импульсов и для передачи данных в программной модели принято решениеиспользовать интерфейс RS232 (COMпорт).Выбор интерфейса обусловлен следующими фактами:простотареализации программы работыс данным интерфейсомкак в операционной системе Windows, так и в среде MSDOS;невысокие требованияк скорости передачи информации в данной задаче;высокая помехозащищённость данного интерфейса;отсутствиенеобходимости создания аппаратных устройств сопряжения источников импульсов с используемым интерфейсом(в отличие, например, от порта USB).Впростейшемслучаедостаточнонепосредственногозамыканияопределённыхвыводовпортадляполучениякомпьютеромимпульсногосигнала[1].Возможности программной моделиРазработанная программная модель выполняет требуемые функции, а именно демонстрирует принцип записи импульсных сигналов и зависимость величины мгновенного расхода от интервала времени между импульсами. Также, благодаря возможности связи с внешними устройствами через последовательный COMпорт, данная программа может применяться на практике для записи и анализа импульсных сигналов.Пример графиказаписанного процесса в программной модели с загруженными данными регистратора показан на рисунке1.Для преобразования значений электрической мощности в числоимпульсный сигнал использован счётчик электроэнергии с импульсным выходом.Данный график показывает изменение во времени электрической мощности, потребляемой зарядным устройством свинцового аккумулятора энергоёмкостью 1 кВтч. Красным цветом показан график мощности, синим –среднее значение мощности за время работы регистратора, жёлтым –нарастающий расход электроэнергии.
Рисунок 1–пример построения графика впрограммной моделиВ большом поле окна программы отображаетсяграфик расхода, который может быть рассмотрен пользователем более подробно –в увеличенном виде. В строке состояния отображаются некоторые числовые параметры–максимальный, минимальный и средний расход, общий объём расхода, время записи. Имеется строка меню с командами загрузки, сохранения, приёма данных и настройки работы программы.Измерительные преобразователиИзмерение осуществляется импульсным методом, то есть датчик создаёт электрический импульс (например, механически замыкая контакты) каждый раз, когда через него проходит определённый объём (например, 1м3) измеряемого вещества, потребляется определённое количество электроэнергии или транспортное средство проходит определённый путь. Контроллер получает импульсы и вычисляет текущий расход, обратно пропорциональный интервалу времени между импульсами. Также может быть построен график расхода.Измерительные преобразователи расхода, потреблённой энергии или пройденного путиподключаются к логическим входам микроконтроллера, так как сигнал имеет только два состояния –высокий логическийуровень (импульс) и низкий логический уровень (отсутствие импульса).В качестве измерительного преобразователя может использоваться любое устройство, способное с требуемой точностью преобразовывать измеряемую величинув числоимпульсный сигнал с требуемой ценой импульса, то есть создавать электрические импульсы при каждом изменении измеряемого параметра на требуемую величину.Вариант конструктивного исполненияКонструкция простейшегоимпульсного регистратора состоит из микроконтроллера, часов реального времени и устройства памяти. Микроконтроллер содержит программу работы прибора и управляет всей его работой. Часы обеспечивают наличие в приборе точного времени для измерения интервалов времени, на основе которых вычисляется измеряемая величина, и привязки этой величины к реальному времени. В память будет сохраняться запись процесса.Структурная схема такого регистраторапредставлена на рисунке2.Рисунок 2–структурная схема импульсного регистратораУстройство памяти может быть встроенным и несъёмным, и тогда в приборе нужно иметь интерфейс подключения к компьютеру для загрузки данных из памяти прибора. Съёмное устройство памяти (например, флэшкарта) может быть отсоединено от прибора и подключено к компьютеру для дальнейшей обработки данных. Подключение к компьютеру для удобства использования можно реализовать через широко распространённый в настоящее время в компьютерной технике порт USB.Подключив прибор к компьютеру, можно загрузить данные, установить время и дату на встроенных часах реального времени или синхронизировать его с системным временем компьютера, выполнить различные настройки прибора, перезаписать микропрограмму контроллера. При необходимости управления приборомили его настройки без использования компьютера могут бытьустановлены кнопки управления и жидкокристаллический дисплей, а также светодиодные индикаторы.Индикаторы и дисплейМикроконтроллерRTCПамятьВходные сигналыСигналы управленияИнтерфейс обмена даннымиОбласть применения импульсных регистраторов и расходомеровУниверсальный импульсный регистраторспособен регистрировать параметры различных процессов, которые могут быть представлены в виде последовательности импульсов (например, расход воды или электроэнергии, движение велосипеда или электровоза). На велосипеде для этого устанавливается герконовый датчик, у электросчётчика используется импульсный телеметрическийвыход. Регистратор сохраняет в памяти данные, на основекоторыхможно получить сведения о состоянии процесса в любой момент (например, текущая скорость или потребляемая мощность) или на любом отрезке времени (например, количество израсходованной воды за определённый час или месяц), а также построить график процесса. Возможна запись по нескольким каналам (например, на велосипеде –запись вращения колёс и педалей, на электровозе –запись вращения колёс и расхода электроэнергии, в квартире или доме –расход воды, газа и электроэнергии). В зависимости от области применения прибор может иметь экран для вывода какойлибо информации (текущаяскорость, расход или пройденный путь за определённый период времени, а также средняя, максимальная, минимальнаяскорость, текущие время и дата).Универсальные импульсные регистраторы могут использоваться в различных областях применения. Например, на транспорте можно контролировать соблюдение скоростного режима машинистом электровоза или водителем автобуса, параллельно записываяи другие параметры движения –например, потребляемую электровозом или троллейбусом мощность из электроконтактной сети. В сфере ЖКХ можно измерять объём и скорость потребления коммунальных ресурсов всего многоквартирного дома в целом и каждой квартирой в отдельности.Преимущество данного прибора перед обычными счётчиками состоит в том, что ведётся полная запись процесса во времени, а не только, например, подсчёт пройденного пути и времени и вычисление средней скорости.Например, для движения транспортного средства может быть построен график скорости от времени (скорость в определённый час и минуту) и график скорости от пройденного пути (скорость на определённом километре или метре).Ссылки на источники1.Авдеев В.А. Периферийные устройства: интерфейсы, схемотехника, программирование.–Москва: ДМК Пресс, 2009.–848 с.
Аннотация.Встатье описывается алгоритм работыуниверсального импульсного регистратора, приводятся примерыего практического использования, даны иллюстрациипримеров его работы, описаны областипримененияи преимущества использования данного прибора.Ключевые слова:импульсный регистратор, расходомер, счётчик, микроконтроллер, измерение.
В технике существует множество процессов, в которых требуется измерение расхода какоголибо вещества или ресурса, электроэнергии, пройденного пути и других подобных параметров. Часто требуется также запись процесса во времени. Для этого используются различные механические устройства.Достижения современной техники позволяют решать задачи измерения, регистрации и записи процессов при помощи малогабаритных, высоконадёжных, требующих минимума обслуживанияэлектронных устройств, не имеющих движущихся механических частей и обладающих большим объёмом памяти.Использование цифровой формы представления данных в микропроцессорной технике требует соответствующего подхода к алгоритмам измерения и записи полученныхданных.Принцип действия импульсных расходомероврегистраторовОснова принципов работырегистратора импульсного расходомера –запись текущего значения точного времени при поступлении каждого импульсана вход регистратора. В случае многоканального регистратора (с несколькими входами от различных источников сигнала) значения времени записываются в индивидуальный для каждого канала (входа) массив данных, либо вместе созначениемвремени записывается номер каналаисточника импульса.При анализе данных импульсного регистратора (в реальном времени или после окончания записи) длительность интервалавременимежду импульсами однозначно преобразуется в скорость или величину расхода. Это значение может быть отображено на индикаторе, а также присвоено соответствующему импульсу для построенияграфика зависимости мгновенной скорости(расхода)от времени. Для сохранения данных достаточно сохранить только значения времени, так как величины скорости или расхода однозначно вычисляются из этих значений с использованием значения цены импульса –величины, показывающей фактическоеизменениеизмеряемой величины на каждый поступивший на вход устройства импульс.Количество импульсов за определённый период времени прямо пропорционально средней скорости процесса за данный период, а по времени между двумя соседними импульсами можно вычислить текущую скорость процесса.Программная реализация принципа работыимпульсного расходомерного регистратораПрограмма может быть написана на языке высокого уровняс последующейкомпиляциейили спомощьюассемблерных команд используемого микроконтроллера. Она и реализует основной принцип работы регистратора –запись в память точного времени поступления каждого импульса. Полученный массив данных и используется для обработки и получения полной информации озаписанном процессе.Для процессов, прекращающихся на длительный период времени, нет необходимости отдельно фиксировать время начала и конца –оно определяется соответственно по времени первого и последнего импульса. Тем не менее, для более рационального использования памяти при записи часто следующих друг за другом импульсов целесообразно записывать не полностью дату и время каждого импульса, а только длительность интервала времени между предыдущим импульсом и текущим. Полное значение времениследует записывать только после длительного перерыва между импульсами. Если регистратор многоканальный, то необходимо также записывать номер канала, по которому поступил импульс, или для каждого входного канала иметь отдельную область памяти для записи импульсов.Для более точной по времени записи импульсов следует организовать работу контроллера так, чтобы импульс вызывал прерывание микроконтроллера, при обработке которого и будет записываться время поступления импульса.РазработкапрограммноймоделирасходомераВ качестве импульсного регистратора может использоваться и обычный персональный компьютер, если запустить на нём специально разработанную программу. В качестве входа для импульсов можно использовать параллельный порт LPT, последовательный порт COMили устройство для приёма импульсов, подключаемое через порт USB. Однако такой вариант обладает меньшей надёжностью и точностью, чем автономное устройство на микроконтроллере, поскольку установленная на компьютере современная операционная система препятствует прямому доступу программ к аппаратным ресурсам, что приводит к увеличению и непостоянности интервала времени между возникновением входного сигнала и его программной обработкой.В целях практического освоения и отладки алгоритма мною разработанапрограммная модель импульсного регистратора, принцип действия которого описан выше. Программная модель реализуется в среде программирования BorlandDelphi7.0, в качестве входа импульсных сигналов используется клавиатура (для тестирования пользователем) и интерфейс RS232 (COMпорт) компьютера (для приёма импульсных сигналов с внешних устройств). Работа с COMпортом реализована с использованием функций WindowsAPI.Программная модель являетсяприложением для операционной системы MicrosoftWindows, имеет графический оконный интерфейс и используется для просмотра файлов с отчётами регистратора и приёма данных о замерах с подключённых к компьютеру внешних устройств.Характеристики выбранного интерфейсаДля приёма импульсов и для передачи данных в программной модели принято решениеиспользовать интерфейс RS232 (COMпорт).Выбор интерфейса обусловлен следующими фактами:простотареализации программы работыс данным интерфейсомкак в операционной системе Windows, так и в среде MSDOS;невысокие требованияк скорости передачи информации в данной задаче;высокая помехозащищённость данного интерфейса;отсутствиенеобходимости создания аппаратных устройств сопряжения источников импульсов с используемым интерфейсом(в отличие, например, от порта USB).Впростейшемслучаедостаточнонепосредственногозамыканияопределённыхвыводовпортадляполучениякомпьютеромимпульсногосигнала[1].Возможности программной моделиРазработанная программная модель выполняет требуемые функции, а именно демонстрирует принцип записи импульсных сигналов и зависимость величины мгновенного расхода от интервала времени между импульсами. Также, благодаря возможности связи с внешними устройствами через последовательный COMпорт, данная программа может применяться на практике для записи и анализа импульсных сигналов.Пример графиказаписанного процесса в программной модели с загруженными данными регистратора показан на рисунке1.Для преобразования значений электрической мощности в числоимпульсный сигнал использован счётчик электроэнергии с импульсным выходом.Данный график показывает изменение во времени электрической мощности, потребляемой зарядным устройством свинцового аккумулятора энергоёмкостью 1 кВтч. Красным цветом показан график мощности, синим –среднее значение мощности за время работы регистратора, жёлтым –нарастающий расход электроэнергии.
Рисунок 1–пример построения графика впрограммной моделиВ большом поле окна программы отображаетсяграфик расхода, который может быть рассмотрен пользователем более подробно –в увеличенном виде. В строке состояния отображаются некоторые числовые параметры–максимальный, минимальный и средний расход, общий объём расхода, время записи. Имеется строка меню с командами загрузки, сохранения, приёма данных и настройки работы программы.Измерительные преобразователиИзмерение осуществляется импульсным методом, то есть датчик создаёт электрический импульс (например, механически замыкая контакты) каждый раз, когда через него проходит определённый объём (например, 1м3) измеряемого вещества, потребляется определённое количество электроэнергии или транспортное средство проходит определённый путь. Контроллер получает импульсы и вычисляет текущий расход, обратно пропорциональный интервалу времени между импульсами. Также может быть построен график расхода.Измерительные преобразователи расхода, потреблённой энергии или пройденного путиподключаются к логическим входам микроконтроллера, так как сигнал имеет только два состояния –высокий логическийуровень (импульс) и низкий логический уровень (отсутствие импульса).В качестве измерительного преобразователя может использоваться любое устройство, способное с требуемой точностью преобразовывать измеряемую величинув числоимпульсный сигнал с требуемой ценой импульса, то есть создавать электрические импульсы при каждом изменении измеряемого параметра на требуемую величину.Вариант конструктивного исполненияКонструкция простейшегоимпульсного регистратора состоит из микроконтроллера, часов реального времени и устройства памяти. Микроконтроллер содержит программу работы прибора и управляет всей его работой. Часы обеспечивают наличие в приборе точного времени для измерения интервалов времени, на основе которых вычисляется измеряемая величина, и привязки этой величины к реальному времени. В память будет сохраняться запись процесса.Структурная схема такого регистраторапредставлена на рисунке2.Рисунок 2–структурная схема импульсного регистратораУстройство памяти может быть встроенным и несъёмным, и тогда в приборе нужно иметь интерфейс подключения к компьютеру для загрузки данных из памяти прибора. Съёмное устройство памяти (например, флэшкарта) может быть отсоединено от прибора и подключено к компьютеру для дальнейшей обработки данных. Подключение к компьютеру для удобства использования можно реализовать через широко распространённый в настоящее время в компьютерной технике порт USB.Подключив прибор к компьютеру, можно загрузить данные, установить время и дату на встроенных часах реального времени или синхронизировать его с системным временем компьютера, выполнить различные настройки прибора, перезаписать микропрограмму контроллера. При необходимости управления приборомили его настройки без использования компьютера могут бытьустановлены кнопки управления и жидкокристаллический дисплей, а также светодиодные индикаторы.Индикаторы и дисплейМикроконтроллерRTCПамятьВходные сигналыСигналы управленияИнтерфейс обмена даннымиОбласть применения импульсных регистраторов и расходомеровУниверсальный импульсный регистраторспособен регистрировать параметры различных процессов, которые могут быть представлены в виде последовательности импульсов (например, расход воды или электроэнергии, движение велосипеда или электровоза). На велосипеде для этого устанавливается герконовый датчик, у электросчётчика используется импульсный телеметрическийвыход. Регистратор сохраняет в памяти данные, на основекоторыхможно получить сведения о состоянии процесса в любой момент (например, текущая скорость или потребляемая мощность) или на любом отрезке времени (например, количество израсходованной воды за определённый час или месяц), а также построить график процесса. Возможна запись по нескольким каналам (например, на велосипеде –запись вращения колёс и педалей, на электровозе –запись вращения колёс и расхода электроэнергии, в квартире или доме –расход воды, газа и электроэнергии). В зависимости от области применения прибор может иметь экран для вывода какойлибо информации (текущаяскорость, расход или пройденный путь за определённый период времени, а также средняя, максимальная, минимальнаяскорость, текущие время и дата).Универсальные импульсные регистраторы могут использоваться в различных областях применения. Например, на транспорте можно контролировать соблюдение скоростного режима машинистом электровоза или водителем автобуса, параллельно записываяи другие параметры движения –например, потребляемую электровозом или троллейбусом мощность из электроконтактной сети. В сфере ЖКХ можно измерять объём и скорость потребления коммунальных ресурсов всего многоквартирного дома в целом и каждой квартирой в отдельности.Преимущество данного прибора перед обычными счётчиками состоит в том, что ведётся полная запись процесса во времени, а не только, например, подсчёт пройденного пути и времени и вычисление средней скорости.Например, для движения транспортного средства может быть построен график скорости от времени (скорость в определённый час и минуту) и график скорости от пройденного пути (скорость на определённом километре или метре).Ссылки на источники1.Авдеев В.А. Периферийные устройства: интерфейсы, схемотехника, программирование.–Москва: ДМК Пресс, 2009.–848 с.
