Interfejs cyfrowej pętli prądowej S300 w miernictwie przemysłowym.
Interfejs analogowej pętli prądowej.
W przyrządach pomiarowych stosowanych w przemyśle powszechnie
wykorzystywany
jest analogowy interfejs pętli prądowej 4...20 mA, którego zasada pracy
polega na przedstawieniu wartości wyniku pomiaru w postaci wartości
prądu
pobieranego przez przyrząd. Najczęściej przyjmuje się, że dolnemu
zakresowi
pomiaru odpowiada prąd pobierany równy 4 mA, a górnemu - 20 mA.
Zasadniczymi
cechami tego rozwiązania (w przeciwieństwie do innych standardów:
0...10V,
0...20 mA itp) są:
- jednoczesne zasilanie przyrządu i transmisja wyniku przy pomocy
jednej
linii dwuprzewodowej,
- brak wpływu (w pewnym przedziale) rezystancji linii zasilającej
na
wynik
pomiaru,
- dobra odporność na zakłócenia zewnętrzne. Wadą takiego
rozwiązania jest
to, że: - układ pomiarowy w przyrządzie musi pobierać prąd mniejszy niż
4 mA,
- każda niestałość poboru prądu przez układ pomiarowy (np. w
funkcji
cyklu
pomiarowego, temperatury otoczenia itp) wpływa bezpośrednio na błąd
wyniku
pomiaru,
- możliwa jest transmisja tylko jednego wyniku pomiaru przez jedną
linię
dwuprzewodową,
- istnieje konieczność przeprowadzenia dodatkowego przetwarzania
wyniku
pomiaru,
t.j. zamiany wielkości prądu w punkcie odbioru na wartość cyfrową
(wyświetlaną
bądź przeliczaną w procesach technologicznych), co pociąga za sobą
pojawienie
się dodatkowego źródła błędu pomiaru,
- w coraz częstszym przypadku zastosowania w przyrządzie pomiarowym
sterownika
mikroprocesorowego, konieczna jest zamiana cyfrowego wyniku pomiaru na
analogową wartość prądu, co komplikuje i podraża przyrząd.
Powyższe wady wpływają w istotny sposób na ograniczenia konstrukcyjne
narzucane
przez ten standard, co czyni go współcześnie mało użytecznym.
Interfejs cyfrowej pętli prądowej S300 LAB-EL.
Dążąc do wykorzystania zalet i wyeliminowania wad interfejsu analogowej
pętli prądowej 4...20 mA, firma LAB-EL zmodyfikowała go wprowadzając
modulację
prądu w pętli bezpośrednio przy pomocy informacji cyfrowej. Dowolne
cyfrowe
wyniki pomiarów można wówczas przesłać przy pomocy asynchronicznej
transmisji
szeregowej, o zależnościach czasowych analogicznych jak w
najpopularniejszym
z interfejsów szeregowych: RS-232C. Dla przedstawianego interfejsu
firma
LAB-EL stosuje w opisach nazwę: S300.
Przyjęto mianowicie, że wartość prądu pobieranego przez
przyrząd
pomiarowy odpowiada jednemu z dwu stanów logicznych: stanowi "0"
(aktywnemu)
odpowiada większy prąd, a stanowi "1" (spoczynkowemu) - mniejszy prąd.
Pozwala to na minimalizację średniej wartości prądu zasilającego
przyrząd.
Wartość prądu stanu "1" należy dobrać tak, aby z odpowiednim
zapasem
pozwalał na zasilenie typowego jednoukładowego mikrokontrolera wraz z
układem
pomiarowym. Wartość prądu stanu "0" powinna być natomiast tak dobrana,
aby źródła prądowe w przyrządzie oraz układ progowy zamieniający prąd
na
poziom logiczny w odbiorniku, dały się realizować przy pomocy możliwie
prostych układów elektronicznych. Przyjęto, że transmisja kolejnych
wyników
pomiarów odbywać się będzie w postaci bloków o ustalonym formacie.
Każdy
blok będzie rozpoczynał się charakterystyczną sekwencją znaków,
pozwalającą
na jednoznaczną identyfikację początku bloku, co jest niezbędne dla
prawidłowego
rozkodowania zawartej w nim informacji (synchronizacja blokowa).
Sekwencja
taka nie wystąpuje w żadnym późniejszym fragmencie transmisji.
Transmisja kolejnych bloków powinna odbywać się automatycznie,
z czasem repetycji wystarczającym dla zakończenia pojedynczego cyklu
pomiarowego
przyrządu i z odstępem wystarczającym dla łatwej identyfikacji początku
bloku. Częstotliwość wysyłania bloków może być też celowo ograniczona
ze
względu na wolne zmiany wielkości mierzonych.
Przyjęto, że transmisja będzie odbywać się z niewielką
prędkością,
co ma zasadnicze znaczenie dla:
- możliwości programowego generowania wyjściowego ciągu cyfrowego z
użyciem
prostych mikrokontrolerów jednoukładowych (np serii ST62XX -SGS,
PIC16CXX
- MICROCHIP), które charakteryzują się dostatecznie niskim poborem
prądu
niezbędnym w omawianym zastosowaniu, oraz które zwykle nie posiadają
sprzętowego
interfejsu szeregowego,
- dużej odporności takiej transmisji na wpływ zakłóceń zewnętrznych
(możliwe
jest wówczas w urządzeniu odbierającym zastosowanie filtrów wejściowych
o dużej stałej czasowej),
- dużej odporności na zmiany parametrów linii transmisyjnej
(długość,
impedancja
linii).
Wszystkie powyższe argumenty doprowadziły do ustalenia parametrów
interfejsu
cyfrowej pętli prądowej LAB-EL o następujących wartościach:
- stanowi "1" (spoczynkowemu) przyporządkowano prąd nie większy niż
15
+/-
2 mA,
- stanowi "0" (aktywnemu) - prąd 25 +/- 2 mA
- prędkość transmisji ustalono na 300 +/- 5 bitów na sekundę,
- blok (rekord) podzielono na bajty (znaki), które wszystkie mają
format: SBBBBBBPT,
gdzie:
- S = bit startu,
- BB..B = 6 bitów informacyjnych,
- P = bit nieparzystości (nie dotyczy pierwszego znaku
bloku
- "nagłówka"),
- T = 1 bit stopu,
- wielkość bloku oraz format danych dostosowano do rodzaju pomiarów
(co
dla
przykładowego rozwiązania - termohigrometru LB-710 LAB-EL zostało
przedstawione
poniżej).
Konstrukcja przyrządu pomiarowego z interfejsem cyfrowej pętli prądowej
LAB-EL.
Zaproponowany interfejs cyfrowej pętli prądowej LAB-EL pozwolił na
konstruowanie
przyrządów pomiarowych, które maja następujące zalety:
- możliwa jest transmisja kilku wyników pomiarów (np temperatury i
wilgotności),
kontrola stanu technicznego przyrządu oraz jego zasilanie przy pomocy
jednej
linii dwuprzewodowej,
- odbierane wartości wyników pomiarów są dokładnie taka sama, jak
wysłane
z przyrządu pomiarowego,
- przyrządy posiadają proste, a co za tym idzie tanie i gabarytowo
małe
praktyczne
realizacje układowe interfejsu,
- interfejs nie wymaga najczęściej regulacji wartości prądów źródeł
w
procesie
produkcji (praktyczna dopuszczalna tolerancja wartości elementów wynosi
do 5%)
- możliwe jest łatwe dołączenie przyrządów za pośrednictwem
prostego
konwertera
I/U (prądu 15...25mA na napięcie -12...12V) do wszystkich systemów
komputerowych
posiadających interfejs RS-232C, bez konieczności stosowania drogich
układów
przetworników analogowo-cyfrowych
- istnieje prosta możliwość zapewnienia separacji galwanicznej (np.
pojedynczym
transoptorem) pomiędzy obwodem linii z przyrządu pomiarowego a
interfejsem
szeregowym odbiornika (komputera), co ma zasadnicze znaczenie dla
niezawodności
rozbudowanych przestrzennie systemów pomiarowych w przemyśle.
Zasadę realizacji takiego przyrządu pomiarowego przedstawiono na rys.1.
Zaciski wejściowe Z2 doprowadzają napięcie zasilające poprzez
filtr przeciwzakłóceniowy FP do prostownika Greatz'a PG, który pozwala
na dowolną biegunowość dołączenia przyrządu do linii wejściowej oraz
zabezpiecza
jednocześnie przyrząd przed uszkodzeniem.
Źródło prądowe ZP zasilane napięciem Uz stabilizuje przepływ
prądu
Is na stałą wartość (odpowiadająceą stanowi spoczynkowemu "1" i równą
nie
więcej niż 15 mA). Prąd ten wywołuje dodatkowo spadek na połączonym z
nim
szeregowo stabilizatorze SN, na wyjściu którego otrzymujemy napięcie
stabilizowane
Us niezbędne do zasilania pozostałego układu pomiarowego przyrządu.
W skład części pomiarowej wchodzi mikromocowy jednoukładowy
mikrokontroler
UP oraz współpracujące z nim przetworniki pomiarowe PP, których
konfiguracja
jest dostosowana do rodzaju mierzonych mierzonych sygnałów,
doprowadzonych
do zacisków Z1.
Wynik pomiaru w postaci ciągu "0" i "1" z wyjścia TxD
mikrokontrolera
UP jest doprowadzony do kluczowanego źródła prądowego ZK, które w
przypadku
"0" pobiera z węzła o napięciu Uz dodatkowy prąd Ik (o wartości 10mA),
zwiększając w ten sposób łączny prąd zasilania przyrządu (do wartości
25mA).
Ogólny schemat blokowy przyrządu przewiduje także możliwość
transmisji
danych cyfrowych do przyrządu, niezbędną w procesie uruchamiania,
testowania
i kalibracji przyrządu w procesie produkcji. W tym celu do wejścia Z3
przyrządu
doprowadzany jest sygnał szeregowej transmisji cyfrowej, który poprzez
układ wejściowy UW dochodzi do wejścia RxD mikrokontrolera UP.
Rys.1. Wykorzystanie interfejsu cyfrowej pętli prądowej w przyrządzie
pomiarowym:
FP
- filtr przeciwzakłóceniowy, PG - prostownik Greatz'a,
ZP
- źródło prądowe stałe, ZK - źródło prądowe kluczowane,
SN
- stabilizator napięcia, UP - mikrokontroler jednoukładowy,
PP
- przetworniki pomiarowe, UW - separator, Z1 - wejście
wielkości
mierzonych, Z2 - zasilanie i szeregowe wyjście cyfrowych
wyników
pomiarów, Z3 - szeregowe wejście danych cyfrowych.
Format transmisji w termohigrometrach LAB-EL.
Termohigrometry produkowane przez firmę LAB-EL zostały przedstawione w
zeszycie PAK nr. 2/97, do którego odsyłamy wszystkich zainteresowanych
ich właściwościami metrologicznymi i użytkowymi. Tutaj przedstawiamy
informację
uzupełniającą dotyczącą przykładowego formatu danych użytego w tym
rozwiązaniu.
Format takiej transmisji zastosowano na wyjściach i wejściach
wszystkich
innych przyrządów LAB-EL służących do pomiaru i odbioru wyników
pomiarów
temperatury i wilgotności powietrza. Pozwala to na elastyczne
konfigurowanie
systemów pomiarowych złożonych z różnych termohigrometrów (np. LB-710,
LB-710/LB-720, LB-701/LB-705, LB-701/LB-725) z urządzeniem nadzorującym
i rejestrującym wyniki pomiarów - koncentratorem LB-731. Wyjścia danych
w przyrządach posiadających dodatkowe zasilanie zostało wyposaźone w
izolację
galwaniczną.
Format zastosowanego bloku danych pomiarowych składa się z 14
bajtów i jest następujący:
<NUL> c iiii rrr sttt <CR> , gdzie:
- <NUL> = znak ASCII #0 - nagłówek rekordu (z
zanegowanym bitem
nieparzystości), który służy do wykrycia przez odbiornik początku
rekordu,
tzw synchronizacja "blokowa",
- c = kod statusu urządzenia (= "0".."7"), w formacie: P110CTR
, gdzie:
- C - błąd kalibracji (błędowi odpowiada bit równy
"1"),
- T - błąd pomiaru temperatury,
- R - błąd pomiaru wilgotności,
- P - bit nieparzystości,
- iiii = numer seryjny urządzenia (zakres: 0000..9999),
- rrr = wynik pomiaru wilgotności x 0,1 % (zakres:
00,0..99,9),
- sttt = wynik pomiaru temperatury x 0,1 °C (s = "0","1"
lub
"-",
zakres: -40,0..120,0),
- <CR> = terminator ASCII #13 (z bitem
nieparzystości).
Powyższe dane można uzupełnić o następujące szczegóły.
Numer seryjny przyrządu ma format: l1 l0 h1 h0, gdzie l1
l0 są cyframi "heksadecymalnymi", które tu są reprezentowane przez
kolejne znaki z kolumny #3 tablicy kodów ASCII ("0".."?"). Dana l1
l0
reprezentuje młodszy bajt numeru, a h1 h0 starszy bajt.
Przykładowo:
jeżeli numer seryjny urządzenia wynosi 58, to zostanie on zakodowany (z
pominięciem bitów nieparzystości) jako: 3:00, a numer 511
jako
??01).
Wyniki pomiarów są reprezentowane jako ciąg cyfr dziesiętnych
("0".."9") wysyłanych w kolejności naturalnej (od najstarszej do
najmłodszej).
Dodatkowo, na pierwszej pozycji wyniku pomiaru temperatury może pojawić
się znak "-". A oto przykłady ilustrujące tą zasadę (z pominięciem
bitów
nieparzystości):
- 012003450129 : numer = 18, RH = 34,5 %, T = 12,9 °C,
bez
błędów,
- 1?100999-023 : numer = 31, RH = 99,9 %, (przekroczenie
zakresu
wilgotności), T = -2,3 °C,
- 200104561150 : numer = 256, RH = 45,6 %, T = +115,0 °C
(przekroczenie
zakresu temperatury)
Zwróćmy uwagę, że po dopisaniu bitów nieparzystości ten ostatni rekord
przyjmuje przykładowo postać: 2pp1p4uv11up i taka będzie
treść
danych wysłanych przez urządzenie.
Formaty transmisji innych przyrządów
oraz bardziej szczegółowe informacje można otrzymać w firmie:
