--PAGE_BREAK--
2 Выбор, обоснование и предварительный расчет структурной схемы
В качестве датчиков были выбраны датчики видимого светового излучения LUX LITE, вследствии приведенных выше методов контроля светового излучения. Значит в данной курсовой работе представлена информационно-измерительная система удаленного действия для измерения и контроля светового излучения. Она была реализована на базе модуля ADAM-5017 и десяти датчиков светового излучения.Структурная схема разработанной ИИС представлена на рисунке 6.
2.1 Модули серии ADAM-5018
Новые серии компактных устройств распределенного сбора данных и управления ADAM-5017 предназначены для реализации систем с использованием протоколов Fieldbus. Устройства этой серий базируются на стандарте EIARS-485. Базовый блок ADAM-5000 содержит модуль процессора, преобразователь постоянного напряжения, 4 или 8-позиционную объединительную плату и порты последовательной связи. Блок процессора выполняет следующие функции:
-прием и дешифрация команд от центрального управляющего компьютера по последовательному каналу связи;
-управление модулями ввода/вывода;
-ввод, предварительная обработка и преобразование аналоговых и дискретных сигналов;
-сравнение величин аналоговых сигналов с предварительно заданными значениями (уставками);
-вывод аналоговых и дискретных сигналов;
-автоматическая самодиагностика;
-формирование и передача данных по последовательному каналу связи.
Устройства ADAM-5000/017 предназначены для реализации распределенных систем, в которых сбор данных и управление исполнительными устройствами осуществляются удаленными многоканальными модулями ввода-вывода. Для организации связи таких модулей с центральным компьютером используется многоточечная сеть на базе интерфейса RS-485 с двухпроводной линией связи.
Основные технические характеристики:
Модуль процессора.
• Тип процессора: 16-разрядный микропроцессор.
• Количество обслуживаемых модулей ввода-вывода:до 8.
• Сторожевой таймер: встроен.
• Потребляемая мощность: 1,0 Вт.
Гальваническая изоляция
• Напряжение изоляции интерфейса RS-485:2500 В пост, тока.
• Напряжение изоляции цепей питания: 3000 В пост, тока.
• Напряжение изоляции модулей ввода-вывода: 3000 В пост, тока.
Подсистема последовательной связи
• Сетевой интерфейс: RS-232 или RS-485 для подключения к управляющему устройству.
• Скорость обмена: 1200, 2400,4800, 9600,19200, 38400, 57600, 115200 бит/с.
• Максимальная протяженность линии связи: 1200 м.
• Сетевой протокол: полудуплексный, символьный ASCII.
• Поиск ошибок: с использованием контрольной суммы.
• Формат асинхронной передачи данных: 1 старт-бит, 8 бит данных, 1 стоп-бит, без контроля четности
• Максимальное количество узлов сети, управляемых через один последовательный порт: до 256.
• Защита портов последовательной связи: подавление импульсных помех в линии связи интерфейса RS-485.
Подсистема электропитания
• Напряжение питания: нестабилизированное от 10 до 30 В пост, тока
• Защита от непредвиденного изменения полярности напряжения питания
• Подавление импульсных помех во входных цепях встроенного преобразователя напряжения
Механические характеристики
• Корпус: KJWс монтажными элементами
• Извлекаемые клеммные колодки с винтовой фиксацией; сечение жил проводников от 0,5 до 2,5 мм.
Условия эксплуатации
• Диапазон рабочих температур: от -10 до +70°С
• Диапазон температур при хранении: от -25 до +85°С
• Относительная влажность воздуха: от 5 до 95% без конденсации влаги
2.2 LUX LITE — Датчики видимого светового излучения.
Датчик LUX LITE предназначен для измерения видимого светового излучения. Датчик запроектирован специально для:
мониторинга силы света,
инженерского дела освещения,
контроля освещения.
Датчик LUX LITE можно применять в любых атмосферных условиях. Датчик имеет спектральную характеристику согласную требованиям CIE (Comission International d'Eclairage).
В датчике LUX LITE употреблен полупроводниковый элемент (фотодиод), которого выходное напряжение пропорциональное падающему излучению. Благодаря уникальной конструкции окошка (диффузора) его чувствительность пропорциональная косинусу угла падения излучения, что обеспечивает точность измерения.
Диапазон измерения 0...200 kLx
Чувствительность 10 mV/100 kLx (номинально)
Область спектра отвечает области спектра глаза человека
Ошибка измерения напряжения
Ошибка измерения направления
Время отклика
Диапазон температур работы -30...+70 °С
Зависимость чувствительности от температуры
В качестве линии связи (ЛС) в разработанной системе применим двухпроводный экранированный низкочастотный кабель марки RG-6/4, образующий двухпроводную симметричную линию связи. Известно, что для выбранного нами кабеля (α) составляет 1,02 дБ на каждые 100 м. В разрабатываемой системе протяженность каждого участка линии связи (L) составляет 5000 метров, а, следовательно, полное затухание будет составлять:
αл = α.L/100 = 1,02.100 = 102дБ
Таким образом, блок усиления должен обеспечивать коэффициент усиления 100 дБ, т.е. усиливать в 30 раз.
Коэффициент усиления каскада по напряжению:
Рисунок 2.1 – Структурная схема ИИС удалённого действия для измерения и контроля светового излучения.
2.3 РАСЧЕТ ДЕТЕКТОРОВ
Принципиальная схема усовершенствованного варианта детектора приведена на рис. 1. На транзисторах VT1 и VT2 выполнен двухполюсник с отрицательным сопротивлением. Транзистор VT2 создает необходимую ПОС для возбуждения незатухающих колебаний.
Puc.1
Частота генерации определяется параметрами контура L1C1C2 и внутренними емкостями транзисторов VT1, VT2. Резистор R1 определяет режим работы генератора по постоянному току. Резистор R2. вместе с конденсатором С5 образуют фильтр нижних частот с частотой среза, равной приблизительно 300 кГц. Глубина ПОС задается резистором R3 и катушкой индуктивности L3. Сигналы ЧМ блоков выделяются широкополосным контуром L2C4, настроенным на среднюю частоту УКВ диапазона, а, через конденсатор С3 подаются на базу транзистора VT1.
Оптимальный режим работы детектора устанавливается подбором величины ПОС (положительная обратная связь) по минимуму помех приему при достаточной величине полосы удержания принимаемых блоков. Величина ПОС регулируется подстроечником катушки индуктивности L3. При большом уровне принимаемых сигналов возможны помехи, связанные с прямым детектированием соседних по частоте блоков. Этот вид помех можно устранить, подобрав оптимальную длину кабеля.
Исходными данными для расчета всех детекторов являются:
— значение промежуточной частоты fпч;
— значения нижней (Fн) и верхней (Fв) частот модуляции;
— допустимые амплитудные искажения на нижних и верхних частотах модуляции Mн = Mв = 1.1...1.2;
— входное сопротивление (Rвх узч) и емкость (Cвх узч) выбранной ИМС УЗЧ (при отсутствии справочных данных можно принять Cвх узч = 20...30 пФ).
Расчет диодного детектора АМ сигнала
Принципиальная схема диодного АД приведена на рис.1. Для снижения искажений и улучшения фильтрации сопротивление нагрузки детектора разделено на две части (R1 и R2). Потенциометр R2 является одновременно регулятором громкости.
Для расчета АМ детектора дополнительными исходными данными будут:
— нормальное и максимальное значения коэффициента модуляции mН = 0.3, mМАКС = 0.9;
— значения прямого (rПР) и в обратного (rОБР) сопротивления выбранного диода. Если в справочной литературе отсутствуют сведения о rПР и rОБР, их можно приближенно определить, используя значения прямого и обратного токов и соответствующих напряжений:
rПР = UПР / IПР, rОБР = UОБР / IОБР.
Расчет детектора проводим для режима сильных сигналов. Выбираем сопротивление нагрузки детектора для постоянного тока RПТ = 10...20 кОм. Далее рассчитываем значения R2 и R1:
, R1 = RПТ — R2.
Рассчитываем сопротивление нагрузки детектора для переменного тока с частотой модуляции
RНW = R1 + R2 RВХ УЗЧ / (R2 + RВХ УЗЧ ).
Определяем входное сопротивление детектора
Выбираем емкость нагрузки детектора из двух условий:
— допустимых линейных искажений на максимальной частоте модуляции
— малых нелинейных искажений, обусловленных избыточной постоянной времени нагрузки детектора
Из двух значений выбираем меньшее и подбираем стандартные конденсаторы с емкостями:
C1 = CН / 2, C2 = CН — C1 — CВХ УЗЧ
Определяем емкость разделительного конденсатора, исходя из допустимых искажений в области нижних частот модуляции
Определяем коэффициент фильтрации напряжения промежуточной частоты элементами схемы детектора:
— фильтром, образованным RВХ Д, C1
K/Ф = 2 p fПЧ C1 RВХ Д ,
— фильтром, образованным R1, C2
K//Ф = 2 p fПЧ (C2 + CВХ УЗЧ) R1 ,
— общий коэффициент фильтрации
KФ = K/Ф * K//Ф .
Рассчитываем угол отсечки тока диода
и коэффициент передачи детектора
Оцениваем напряжение на входе УЗЧ на средних частотах модуляции
UВХ УЗЧ = UВХ Д mН KДW (RНW — R1) / RНW .
Рассчитываем требуемый коэффициент усиления УЗЧ
KУЗЧі (3...5) * UВЫХ НОМ / UВХ УЗЧ ,
где UВЫХ НОМ — номинальное напряжение звуковой частоты на динамической головке, имеющей сопротивление RДГ (UВЫХ НОМ = ).
Расчет детектора ЧМ сигнала
Типовая структура ИМС, выполняющих функции ЧД, (К174УР1, К174УР3, К174ХА6 и др.) включает в себя несколько каскадов усилителя-ограничителя, аналоговый перемножитель и каскад УЗЧ. На рис.2 приведена нумерация выводов ИМС К174УР3. Нумерацию выводов ИМС других типов следует уточнить с использованием справочной литературы.
Работа ЧД основана на преобразовании частотно-модулированного колебания (ЧМК) в колебание с частотно-фазовой модуляцией (ЧФМК) и последующего фазового детектирования путем перемножения принятого и преобразованного колебаний. Роль преобразователя ЧМК в ЧФМК выполняет параллельный фазосдвигающий контур LКC1 и два конденсатора малой емкости C, обеспечивающие начальный фазовый сдвиг между и , равный p / 2. Контур настроен на промежуточную частоту fПЧ. Его ФЧХ вблизи резонансной частоты практически линейна. Для получения требуемой полосы пропускания контур зашунтирован резистором RШ.
Следует заметить, что функции фазосдвигающей цепи может выполнять и последовательный колебательный контур, образованный LК и 2C, с частотой настройки wПЧ =. В этом случае емкость C1 составляет несколько пикофарад и включается только для стабилизации собственной емкости катушки LК.
Основной задачей расчета ЧД является определение параметров элементов фазосдвигающей цепи. Ниже приведен расчет для параллельного колебательного контура.
Задаемся требуемым значением полосы пропускания эквивалентного контура DFКЭ = (2...3) DFС, учитывая, что при увеличении значения DFКЭ снижаются нелинейные искажения сигнала, но одновременно происходит уменьшение крутизны детекторной характеристики. Определяем требуемое значение добротности эквивалентного контура QКЭ = fПЧ / DFКЭ.
Выбираем емкость конденсатора C1. При fПЧ = 10.7 МГц емкость конденсатора должна составлять 300...470 пФ. С учетом влияния емкости монтажа и входной емкости ИМС принимаем значение емкости контура CК приблизительно на 10...15 пФ больше емкости конденсатора C1. Рассчитываем индуктивность контура LК. Задавшись конструктивной добротностью контура QК = 80...100, рассчитываем проводимости:
gК = 1 / (wПЧ LК QК),
gКЭ = 1 / (wПЧ LК QКЭ) .
Определяем сопротивление шунтирующего резистора
RШ = 1 / ( gКЭ — gК — gВХ),
где gВХ — проводимость ИМС со входов, к которым подключен фазосдвигающий контур. Ее значение приблизительно 3*10-5 См.
Выбираем значение емкостей последовательных конденсаторов
C Ј 0.2 gКЭ / wПЧ.
Далее рассчитываем параметры цепи коррекции предыскажений (RКЦ, CКЦ). Принимая сопротивление RКЦ = (0.07...0.1)RВХ УЗЧ, определяем
CКЦ = tКЦ / RКЦ,
где tКЦ = 50 мкс — значение постоянной времени корректирующей цепи в системах радиовещания.
На выходе ИМС помимо низкочастотного сигнала присутствует постоянное напряжение приблизительно равное половине напряжения питания, поэтому потенциометр регулятора громкости R2 подключают через разделительный конденсатор CР1. Между потенциометром и входом ИМС УЗЧ необходим еще один разделительный конденсатор CР2. Задаемся сопротивлением R2 = (0.3...0.5) RВХ УЗЧ. Рассчитываем
Входная проводимость детектора (gВХ Д = 1 / RВХ Д) равна входной проводимости ИМС.
Определяем из справочных данных на используемую ИМС значение напряжения звуковой частоты на выходе ЧД (UВЫХ ЧД). Это напряжение поступает на вход УЗЧ, поэтому UВХ УЗЧ = UВЫХ ЧД. Аналогично п.1 рассчитываем требуемый коэффициент усиления УЗЧ (KУЗЧ).
3 Описание принципа работы разработанной структурной схемы
В данной курсовой работе представлена информационно-измерительная система удаленного действия для измерения и контроля светового излучения. Она была реализована на базе модулей ADAM-5017, 10 датчиков видимого светового излучения LUX LITE и центрального компьютера, управляющего процессом измерения светового излучения при помощи выше перечисленных устройств.
Световое излучение контролируется при помощи датчиков видимого светового излучения LUX LITE, в которых при облучении кремниевых фотодиодов светом возникает напряжение, определенным образом зависящее от силы света. Эффект, вызывающий возникновение этого напряжения, называется внутренним фотоэффектом. Преобразование ток – напряжение с обеспечением линейности выходного напряжения осуществляется с помощью резистора в цепи обратной связи операционного усилителя. Для больших усилений слабых фотопотоков применяют операционные усилители на полевых транзисторах с высоким входным сопротивлением (10нОм) и высокоомные резисторы.
Цифровой сигнал по линии связи, в качестве которой выступает двухпроводный экранированный низкочастотный кабель марки RG-6/4, поступает на блок усиления, где компенсируется затухание уровня полезного сигнала, внесенного линией связи протяженностью 10000 м.
Устройство ADAM-5000/017 является устройством ввода сигнала от датчиков. Он является вторичным ИПД (получает сигнал от датчиков, обрабатывает его, накапливает, отображает и передает на персональный компьютер). Устройства ADAM-5000/017 предназначены для реализации распределенных систем, в которых сбор данных и управление исполнительными устройствами осуществляются удаленными многоканальными модулями ввода-вывода. Для организации связи таких модулей с центральным компьютером используется многоточечная сеть на базе интерфейса RS-485 с двухпроводной линией связи.
Устройство ADAM-5000/TCPфункционирует как центр обработки данных ввода-вывода в составе сети Ethernet. Использование технологии Ethernetобеспечивает обмен данными о состоянии процесса и передачу сигналов управления со скоростью 10/100 Мбит/с. Этот новый продукт позволяет в рамках сети Ethernetвыполнять не только ввод-вывод данных, но также достаточно просто реализовывать для разнообразных приложений функции локального управления, заменяя различные программируемые устройства, использующие коммуникационный протокол ModBus.
Устройства объединяются в сеть с использованием интерфейса EIARS-485, который является одним из наиболее распространенных промышленных стандартов для двунаправленной последовательной передачи данных по симметричной двухпроводной линии связи. Интерфейс EIARS-485 был специально разработан для применения в промышленной автоматизации для передачи высокоскоростной информации на большие расстояния. Во всех модулях серии устройств реализована оптическая изоляция интерфейса последовательной передачи данных для предотвращения влияния гальванической связи между территориально расположенными устройствами на качество функционирования системы, а также для снижения вероятности повреждения модулей импульсными помехами и выбросами напряжения в цепях питания и линии связи.
Управление многоточечной системой модулей осуществляется центральным компьютером путем передачи через последовательный порт символьных команд и приема ответных сообщений от модулей. Команды представляются в формате ASCII. При помощи компьютера полученные результаты измерения уровня представляются на анализ оператору в удобной для него форме, что обеспечивается наличием соответствующего программного обеспечения. Так же реализуется функция удаленной программной настройки типов и диапазонов принимаемых сигналов, что обеспечивает возможность их применения для сопряжения с различными датчиками и преобразователями непрерывных параметров. Тип и диапазон входного сигнала устанавливается путем передачи в адрес устройства АDAM — 5017, по последовательному каналу связи, соответствующей команды. продолжение
--PAGE_BREAK--