Модуль предварительной обработки измерительной информации

Автоматизированные системы сбора результатов измерений, обработки и анализа измерительной информации в режиме реального времени и управления на этой основе исполнительными устройствами, выполненные на базе современных информационных технологий, используются в самых различных областях.

Такие устройства представляют собой, как правило, комплекс, включающий в себя аппаратную часть, в которой осуществляется преобразование измерительных сигналов, вырабатываемых различного рода датчиками, и сервер на основе персонального компьютера, с установленным специализи­ро­ванным программным обеспечением. Сервер служит для обработки полученных результатов в соответствии с заданным алгоритмом, представления их в удобном для восприятия виде (в форме таблиц, графиков, диаграмм), вырабатывает управляющие сигналы, обеспечивает связь с потребителями измерительной информации.

Одним из примеров подобных информационно-измерительных систем являются комплексы, предназначенные для управления эксплуатацией строительных объектов. Они представляют собой автоматизированные инженерные системы, составляющие элементы которых распределены по трем уровням. Нижний уровень – это различного рода датчики и исполнительные устройства, средний уровень состоит из коммутирующих устройств и контроллеров промежуточной обработки измерительной информации, верхний уровень – управляющее устройство, как правило, на базе персонального компьютера.

Автоматизированное управление эксплуатацией зданий и сооружений предполагает решение разноплановых задач. Современные здания оснащаются следующими инженерными системами: пожаротушения; охраны, сигнализации, видеонаблюдения и связи; управления освещением, режимами отопления, водоснабжения и вентиляции; мониторинга текущего состояния строительных конструкций и др.

При этом, в целях экономии энергопотребления и материальных ресурсов, целесообразно объединять различные измерительные и управляющие системы в единый комплекс, в котором устройства, входящие в средний и верхний уровень, были бы общими для всего инженерного оборудования зданий.

В свете вышесказанного представляет интерес создание измерительных систем на базе унифицированных модулей для решения типовых задач обработки измерительных сигналов и регистрации данных в подобных приложениях. Структурная схема подобного устройства приведена на рис.1. Автоматизированная система сбора данных для целей строительного мониторинга предназначена для решения следующих задач:

· регистрация и обработка данных при испытаниях строительных материалов, элементов строительных конструкций с целью определения их технических и эксплуатационных характеристик;

· регистрация и обработка данных при возведении строительных объектов с целью контроля технических требований и норм, предусмотренных проектной документацией;

· регистрация и обработка данных в процессе эксплуатации строительного объекта с целью мониторинга состояния элементов конструкции объекта в течение длительного времени: контроль действующих нагрузок, напряжений и деформаций, относительных смещений строительных элементов, развития неблагоприятных процессов, которые могут привести к возникновению аварийной ситуации и т.д.

Рисунок 1 – Структурная схема измерительной системы; функции программного обеспечения

Универсальные промежуточные модули предварительной регистрации и обработки измерительной информации на основе микроконтроллеров (регистрирующие модули) предназначены для использования в среднем уровне измерительных систем, подобных описанным выше. На рисунке 2 показана структурная схема использования такого модуля для обработки аналоговых сигналов, поступающих от нескольких первичных модулей сбора измерительной информации.

Рисунок 2 – Блок-схема соединений первичных модулей сбора информации с регистрирующим модулем

Первичные модули сбора информации – это, как правило, аналоговые звенья, поэтому особое значение имеют вопросы, связанные с обеспечением их помехозащищенности и стабильности характеристик. Соответственно повышенные требования предъявляются к источникам питания этих модулей, в цепях усиления и формирования измерительного сигнала должны применяться прецизионные измерительные усилители и иные электронные компоненты с целью минимизации дрейфов. Сигнальные кабели, связывающие первичные и регистрирующие модули, должны быть экранированы.

Регистрирующий модуль представляет собой микроконтроллерное устройство, оснащённое встроенным многоканальным АЦП, интерфейсной частью для общения с другими модулями и концентраторами и портами ввода-вывода общего назначения. Регистрирующий модуль обслуживает несколько первичных модулей и расположен на незначительном удалении от них. Аналоговые линии всегда подключены к регистрирующим модулям и находятся в активном состоянии. К каждому регистрирующему модулю может быть подключено 8 первичных модулей. При условии использования внешнего мультиплексора их число может быть увеличено до 15.

Регистрирующие модули объединены в сеть по стандарту RS-485 с механизмом «slave-master». Регистрирующий модуль всегда выполняет функцию «slave». В роли master-устройства выступает концентратор, соединенный с портом сервера и подающий команды начала регистрации данных.

Экспериментальный образец регистрирующего модуля, предназначенный для комплектования системы строительного мониторинга, выполнен на основе микроконтроллера Atmel AVR ATMega16 и соответствующих интерфейсных микросхем. На рисунке 3 в общем виде представлена структура микроконтроллера AVR. В его состав входят: RISK-процессор, энергонезависимая память двух видов – память программ (Flash) и память данных (EEPROM), оперативная память RAM, порты ввода/вывода и различные периферийные интерфейсные схемы.

Рисунок 3 – Структура микроконтроллера AVR

Программное обеспечение регистрирующего модуля представляет собой «прошивку» (firmware) микроконтроллера Atmel AVR ATMega16, написанную на языке С (GNU GCC-AVR). Firmware включает в себя функции инициализации и выполнения алгоритма сбора данных, а также блоки для работы со следующими периферийными устройствами микроконтроллера:

· универсальный синхронно-асинхронный приёмопередатчик (USART);

· шестнадцатиразрядный таймер-счётчик;

· восьмиканальный десятиразрядный АЦП.

Используются внутренняя Flash-память, RAM, а также регистры общего назначения микроконтроллера. Имеется функция управления внешним мультиплексором для увеличения количества подключаемых первичных модулей.

· Алгоритм сбора данных регистрирующим модулем выглядит следующим образом.

l Регистрирующий модуль получает от концентратора команду начала опроса первичных модулей и регистрации данных.

l Путем последовательного подключения к каналам АЦП, регистрирующий модуль проводит сбор, оцифровку и предварительную обработку текущих значений измерительных сигналов.

l Пункт 2 алгоритма повторяется соответственно количеству первичных модулей и заданному в предварительных настройках числу повторных измерений.

l Происходит формирование пакета данных для передачи на концентратор.

l Инициируется соединение с концентратором для передачи данных.

l Передается идентификационный код регистрирующего модуля.

l Осуществляется передача пакета текущих данных на концентратор.

l Генерируется сигнал завершения соединения с концентратором.