РАЗРАБОТКА ВСТРОЕННОГО ПРОГРАММНОГО ОБЕСПЕЧЕНИЯ ЦИФРОВОГО ДАТЧИКА РАЗНОСТИ ДАВЛЕНИЙ ДРЭ-001
Пензенский государственный университет, Пенза, Россия
Предпосылками появления цифровых датчиков стало развитие элементной базы и систем разработки встроенного программного обеспечения. Элементная база развивалась по пути интеграции АЦП, ЦАПов, процессорного ядра, энергонезависимой памяти и различной аналоговой и цифровой периферии на одном кристалле, роста вычислительных ресурсов и снижения энергопотребления. Системы разработки встроенного ПО развивались в сторону поддержки высокоуровневого языка С и поддержки арифметики с плавающей точкой, что позволило реализовывать во встроенном ПО весьма сложные алгоритмы обработки данных, в частности, алгоритмы полиномиальной и сплайн-аппроксимации.
Цифровой датчик (ЦД) – это датчик, выполняющий цифровую обработку сигналов на основе цифровой модели с целью повышения точности измерений, передающий сигнал цифровым кодом по цифровому каналу. Цифровой датчик включает в себя преобразователь измеряемой физической величины в электрическую величину; преобразователь электрической величины в цифровой код; устройство цифровой обработки сигналов и хранения цифровой модели датчика и цифровой интерфейс. Структура ЦД показана на рисунке 1.
Рис. 1. Структура ЦД
Цифровая обработка сигнала выполняется по алгоритму, опирающемуся на цифровую модель, и реализуется с помощью встроенного ПО. Место встроенного ПО в ЦД показано на рисунке 2.
Рис. 2. Место встроенного ПО в ЦД
Разработка встроенного ПО требует решения задач проблем логической организации и определения структуры ПО, а также решения вычислительно-алгоритмических задач. Проектирование встроенного ПО разделяется таким образом на два этапа: этап логической организации, на котором удобно применять автоматное программирование, и этап решения вычислительно-алгоритмических задач, на котором можно использовать диаграммы Насси-Шнайдермана.
Рассмотрим встроенное ПО ЦД разности давлений ДРЭ-001. ЦД ДРЭ-001 предназначен для измерения разности давлений жидких и газообразных средств в трубопроводах агрегатов изделий ракетно-космической техники. Выход датчика – цифровой код по интерфейсу RS-485. Разность давлений измеряется полупроводниковым чувствительным элементом (ЧЭ). Общий алгоритм работы датчика удобно представлять конечным автоматом (КА), граф переходов которого показан на рисунке 3.
Рис. 3. Граф переходов КА ЦД разности давлений ДРЭ-001
Данный алгоритм реализован с применением switch-технологии на языке C в среде Keil µVision для микроконтроллера архитектуры MCS-51 C8051F007 фирмы Silabs. Статическая схема подчинения программных функций показана на рисунке 4.
Рис. 4. Статическая схема подчинения программных фукнций встроенного ПО ЦД разности давлений ДРЭ-001
Временная диаграмма последовательности взаимодействия программных функций приведена на рисунке 5.
Рис. 5. Временная диаграмма последовательности взаимодействия программных функций
Применение цифровой обработки сигналов в датчике разности давлений ДРЭ-001 позволило снизить нелинейность датчика с 0,2 – 0,6 % до 0,07 – 0,1 %, температурную погрешность – с 15 % до 0,2 % во всем диапазоне.
В дальнейшем предполагается реализация обратного канала в датчике, что потребует изменения графа переходов КА ДРЭ-001, разработки протокола обмена и повторной разработки схемы подчинения и временной диаграммы последовательности взаимодействия программных функций, а также разработки алгоритмов работы функций, появившихся в процессе проектирования.
Описанный подход можно использовать в качестве методики проектирования встроенного ПО.
Список литературы
1. , , Интеллектуальные измерительные системы и системообразующие датчики РКТ. Идеи, понятия, определения. // Матениалы научно-технической конференции приборостроительных организация Роскосмоса «Информационно-управляющие и измерительные системы - 2007», г. Королев.
2. , Автоматное программирование // СПб.: Питер, 2009. – 176 с., ил.
