INTERFAȚARE I/O DIGITALE

Semnale digitale

Semnalele digitale sunt cele mai comune moduri de comunicații folosite între computere și periferice, instrumente și alte echipamente electronice, deoarece acestea sunt, desigur, fundamentale pentru funcționarea computerelor. Mai devreme sau mai târziu, toate semnalele destinate a fi intrări de calculator trebuie convertite într-o formă digitală pentru procesare.

Semnalele digitale care se deplasează prin sistem pot fi un singur flux serial de impulsuri care intră sau ies în (din) un port sau numeroase linii paralele în care fiecare linie reprezintă un bit într-un cuvânt multi-bit de caracter alfanumeric. Liniile de ieșire digitale ale computerelor comandă adesea relee care comută semnale sau putere livrată altor echipamente. În mod similar, liniile de intrare digitală pot reprezenta cele două stări ale unui senzor sau ale unui comutator, în timp ce un șir de impulsuri poate indica poziția instantanee sau viteza unui alt dispozitiv. Aceste intrări pot proveni de la contacte releu sau dispozitive cu semiconductori.

I/O digitale de înaltă tensiune și curent

Contactele de releu sunt destinate să comute tensiuni și curenți care sunt mai mari decât dispozitivele de ieșire interne ale computerelor, dar răspunsul în frecvență al bobinelor și al contactelor în mișcare este limitat la semnale sau stări I/O relativ lent variabile. De asemenea, atunci când se deschide un circuit inductiv de sarcină, câmpul magnetic întrerupt generează o tensiune ridicată pe contactele comutatorului care trebuie suprimată. O diodă de-a lungul sarcinii oferă o cale pentru vârful de curent în timp ce câmpul magnetic al inductorului se întrerupe. Fără diodă, arcul electric la contactele ale releului poate scădea durata de viață a acestuia (vezi figura 11.01).

Dispozitivele TTL și CMOS se conectează, de obicei, direct la semnalele de mare viteză, de nivel scăzut, cum ar fi cele utilizate în senzorii de viteză și poziționare. Dar în aplicațiile în care computerul energizează o bobină releu, dispozitivele TTL sau CMOS ar putea să nu poată furniza curentul și tensiunea necesare. Deci, între semnalul TTL și bobina releului se introduce un etaj tampon, în mod tipic, pentru a furniza 30 V la 100 mA.

Un exemplu de acest tip de sistem este un card opțional pentru un instrument cu I/O digitale. Acesta conține un etaj amplificator/atenuator, constând dintr-un tranzistor PNP, o diodă fly-back și un rezistor (vezi figura 11.02). Pentru a activa un releu standard de 24 V, este conectată la circuit o sursă externă de 24 V. Dacă ieșirea TTL internă este high, tranzistorul este polarizat și ieșirea este low (în jur de 0,7 V). Când ieșirea TTL este low, tranzistorul se blochează, iar ieșirea ajunge la 24 V. Deoarece bobina releului este o sarcină inductivă, trebuie să fie atașată dioda fly-back pentru a preveni deteriorarea în timpul comutării.

Figura 11.03 prezintă o intrare digitală de înaltă tensiune cu un circuit de atenuator. Acest lucru permite circuitelor TTL să citească tensiuni de până la 48 V. Semnalul de înaltă tensiune se conectează la un divizor de tensiune rezistiv, care este un atenuator de semnal. Selectarea unei valori corespunzătoare rezistenței R oferă un mijloc de selectare a nivelului de înaltă tensiune. Tabelul din Figura 11.04 prezintă valorile rezistorului pentru nivelele utilizate frecvent.

INTRĂRI DIGITALE

Metodele utilizate pentru interfațarea intrărilor digitale la un computer variază de la simple la complexe. Această secțiune discută pe scurt citirile cu un singur octet declanșate-software; citiri de intrări digitale măsurate hardware; și citiri de intrări digitale declanșate extern.

Citiri asincrone de intrări digitale

Este necesară o citire asincronă declanșată-software atunci când computerul eșantionează periodic un octet digital sau un grup de biți. Și uneori viteza și sincronizarea citirilor de intrare digitală sunt deosebit de importante. Dar timpul dintre citiri este probabil să difere atunci când se folosește metoda de tip single-byte declanșată-software, în special în aplicațiile care rulează în cadrul unui sistem de operare multitasking, cum ar fi un PC. Motivul este că timpul dintre citiri depinde de viteza computerului și de alte sarcini care trebuie efectuate simultan. Variațiile în timp dintre citiri pot fi parțial compensate cu ajutorul cronometrelor software, dar o rezoluție de sincronizare mai mică de 10 ms nu este garantată pe un PC.

Citiri sincrone de Intrări digitale

Unele sisteme oferă citiri de intrare digitale măsurate hardware. În astfel de sisteme, utilizatorul stabilește frecvența la care portul de intrare digital poate citi. De exemplu, un sistem poate citi portul său de 16 biți la 100 kHz, în timp ce altul funcționează la 1 MHz. Cel mai mare avantaj al citirilor de intrări digitale măsurate hardware este că acestea pot fi implementate mult mai repede decât pot citirile declanșate-software. În cele din urmă, dispozitive ca acestea pot localiza citirile porturilor de intrare digitală între citirile analogice, asigurând o corelație strânsă între datele de intrare analogice și cele digitale.

Unele dispozitive externe oferă un bit digital, octet sau cuvânt cu o rată independentă de sistemul de achiziție de date. Ele fac citiri numai atunci când sunt disponibile date noi, mai degrabă decât la un interval predeterminat. Din această cauză, astfel de dispozitive externe transferă de obicei date printr-o tehnică de handshaking. Pe măsură ce devin disponibile informații digitale noi, dispozitivul extern emite o tranziție digitală pe o linie separată, cum ar fi External Data Ready sau intrare Strobe. Pentru a interfața cu un astfel de dispozitiv, sistemul de achiziție a datelor trebuie să furnizeze o blocare a intrărilor, care controlează semnalul extern. Mai mult, un semnal logic furnizat computerului de control îl avertizează că datele noi sunt gata să fie primite de la blocare.

Un exemplu de dispozitiv care funcționează în acest mod are o linie de inhibare între cele șase linii de handshake/comandă pentru a notifica dispozitivelor externe că blocarea intrării este citită. Această procedură permite dispozitivului extern să mențină informația digitală nouă până când evenimentul curent de citire este efectuat cu succes.

IZOLAREA DIGITALĂ

Semnalele digitale sunt adesea izolate din mai multe motive: pentru a proteja fiecare parte a sistemului de o stare de supratensiune inadecvată pe partea opusă, pentru a facilita comunicarea dintre dispozitivele cu mase diferite și pentru a preveni rănirile atunci când circuitele sunt atașate persoanelor în aplicații medicale. O abordare comună pentru izolare este printr-un cuplor optic. Cuplarea optică constă dintr-un LED sau o diodă-laser pentru a transmite semnalul digital și o fotodiodă sau fototranzistor pentru a-l recepționa (vezi figura 11.05). Cuploarele optice mici separă tensiuni de până la 500 V. De exemplu, această tehnică controlează și monitorizează eficient dispozitivele digitale conectate între mase diferite.

Citiri de intrări digitale declanșate extern

Fig. 11.05. Un izolator optic decuplează masa sursei de semnal digital de masa sistemului de achiziție a datelor și protejează intrările sistemului de achiziție de tensiuni înalte neintenționate.

CONDIȚIONAREA SEMNALELOR TREN DE IMPULSURI

În multe aplicații de măsurare a frecvenței, impulsurile sunt numărate și comparate cu o bază fixă ​​de timp. Un impuls poate fi considerat un semnal digital, deoarece se măsoară numai numărul de fronturi în creștere sau scădere. În multe cazuri, totuși, semnalul tren de impulsuri provine dintr-o sursă analogică, cum ar fi un pickup magnetic.

De exemplu, un card de frecvență de intrare utilizat pe scară largă într-un sistem de achiziție de date furnizează patru canale de intrare a frecvenței prin două circuite separate front-end, una pentru circuite de intrare digitale reale și una pentru intrări analogice. Cardul condiționează intrările digitale de diferite nivele, iar circuitul de intrare analogic convertește un semnal care variază în timp într-un tren de impulsuri digital curat.

Figura 11.06 prezintă schema intrării analogice, calea de condiționare a semnalului. Rețeaua RC front-end oferă o cuplare AC care permite trecerea tuturor semnalelor de peste 25 Hz. Atenuatorul selectabil reduce magnitudinea generală a formei de undă pentru a desensibiliza circuitul de zgomot nedorit de nivel scăzut. Atunci când se utilizează un tren de impulsuri de la o închidere de releu, unitatea oferă setări programabile care permit utilizatorului să selecteze cantitatea de timp de decuplare necesară. Circuitele digitale monitorizează trenul de impulsuri condiționat pentru un nivel susținut high sau low. Fără decuplare, fronturile suplimentare din semnal produc o citire de frecvență excesiv de ridicată și eronată (vezi figura 11.07).

Multe traductoare generează semnale de ieșire modulate în frecvență, mai degrabă decât modulate în amplitudine. De exemplu, senzorii care măsoară mișcarea de rotație și fluxul de fluid se încadrează în mod obișnuit în această clasă. Tuburile fotomultiplicatoare și detectoarele de particule încărcate sunt adesea utilizate pentru măsurători care necesită numărarea impulsurilor. În principiu, astfel de semnale ar putea fi eșantionate cu un ADC, dar această abordare generează mult mai multe date decât este necesar și face analiza greoaie. Măsurătorile directe ale frecvenței sunt mult mai eficiente.

CONVERSIE FRECVENȚĂ-TENSIUNE

Sistemele de achiziție a datelor măsoară frecvența în mai multe moduri; acestea integrează un semnal AC de undă continuă sau trenuri de impuls pentru a produce o tensiune DC cu o magnitudine proporțională cu frecvența, convertește tensiunea AC la un semnal digital binar cu un ADC sau numără impulsuri digitale.

Integrarea trenului de impulsuri

O tehnică de conversie utilizată în mod obișnuit într-un dispozitiv de condiționare modulară cu un singur canal integrează impulsurile de intrare și produce o tensiune de ieșire proporțională cu frecvența. În primul rând, un condensator serie cuplează semnalul AC, care elimină componentele AC, de frecvență extrem de joase, și DC. Un comparator generează o lățime constantă a impulsului de fiecare dată când semnalul de intrare trece prin zero. Impulsul trece apoi printr-un circuit de integrare, cum ar fi un filtru trece-jos și generează un nivel de semnal lent variabil la ieșire, proporțional cu frecvența de intrare (vezi figura 11.08).

Timpul de răspuns al convertorului frecvență-tensiune este mic - inversul frecvenței de cut-off a filtrului trece-jos. Această frecvență de cut-off ar trebui să fie mult mai mică decât frecvențele de intrare măsurate, dar suficient de ridicate pentru a asigura timpul de răspuns necesar. Pe măsură ce frecvența măsurată se apropie de frecvența cut-off, totuși, un riplu semnificativ al ieșirii devine o problemă, așa cum se arată în figura 11.09.

Un condensator extern selectează constanta de timp pentru un IC dedicat conversiei frecvență-tensiune. Circuitul poate măsura semnale în game de frecvență foarte diferite, dar condensatorul trebuie schimbat pentru a schimba o gamă de frecvență. Din nefericire, astfel de convertoare frecvență-tensiune funcționează relativ prost pentru frecvențe mai mici de 100 Hz, deoarece un filtru trece-jos cu o frecvență cutoff sub 10 Hz necesită un condensator excesiv de mare.

Numărarea impulsurilor digitale

Un alt tip de tehnică de conversie măsoară frecvența unui șir de impulsuri digitale sau o tensiune a semnalului analog cuplat AC. Emite un nivel de tensiune DC proporțional cu frecvența de intrare, similar integratorului descris mai sus. Totuși, nivelul DC vine de la o ieșire DAC. Circuitele front-end convertesc semnalul analogic sau digital de intrare într-un tren de impulsuri curat, fără mișcarea contactelor de releu, zgomot de înaltă frecvență și alte artefacte nedorite înainte de a ajunge la DAC (a se vedea Figura 11.10).

Fig. 11.10. In alt tip de convertor frecvență-tensiune, cardul de intrare conține un condensator de cuplare a intrării pentru a filtra frecvențele joase, un atenuator, un filtru low-pass și un microprocesor pentru a calcula frecvența. Semnalul este apoi conectat la un DAC înainte de a fi trimis la sistemul de achiziție a datelor.

De exemplu, canalul de intrare analogică al unei plăci tipice de achiziție a datelor cu intrare de frecvență conține un filtru trece-jos cu o frecvență cutoff selectabilă de 100 kHz, 300 Hz sau 30 Hz. Acesta măsoară frecvențele de la 1 Hz la 100 kHz pentru semnale variind de la 50 mV la 80 Vp-p. Circuitul de intrare digitală măsoară semnale de ±15-VDC de la 0,001 Hz la 950 kHz, cuplate DC la un circuit TTL trigger Schmidt. Cardurile vin de obicei cu rezistențe pull-up pentru utilizare cu relee sau întrerupătoare.

Un microcontroler măsoară exact o perioadă totală constând din mai multe cicluri care se extind pe o perioadă minimă selectabilă de utilizator, care determină rezoluția de frecvență. Microcontrolerul calculează frecvența din perioada măsurată și o convertește la o comandă pentru un DAC, care, la rândul său, furnizează nivelul DC la sistemul de achiziție de date. Ieșirea DC a DAC acționează intrarea unui dispozitiv de condiționare a semnalului DC obișnuit, iar software-ul convertește nivelul DC la o citire de frecvență echivalentă. Această metodă permite măsurarea frecvențelor extrem de joase pe o gamă excepțional de largă, iar actualizarea de ieșire poate fi relativ rapidă. Mai mult decât atât, gama de frecvență poate fi programată, permițând frecvențelor preconizate să utilizeze întreaga gamă ADC.

Gama de ieșire a DAC este +5 la -5 V. Frecvența minimă selectată de utilizator devine ieșirea de -5 V în timp ce frecvența maximă devine +5 V. Practic orice lățime de bandă de frecvență poate fi selectată, de exemplu, 500 Hz Fmin la 10 kHz Fmax sau 59,5 Hz Fmin la 60,5 Hz Fmax. Cu un ADC de rezoluție pe 12 biți, lățimile de bandă mai mici vor avea o rezoluție mai mare decât lățimile de bandă mai mari, pur și simplu deoarece intervalul de la -5 la +5 VDC este împărțit în 4096 părți, indiferent de lățimea de bandă. Lățimea de bandă de 1 Hz este împărțită în 4096 părți, ceea ce duce la o rezoluție de 1/4096 Hz sau aproximativ 0,00244 Hz. Pentru lățimea de bandă de 100 kHz, rezoluția devine 24,41 Hz.

Rezoluția este de 12 biți peste toate intervalele, însă timpul de actualizare depinde de intervalul selectat. De la 1 Hz până la limita maximă a gamei superioare definite de utilizator, actualizarea conversiei de tensiune este de 2 până la 4 ms sau perioada frecvenței de intrare, oricare este mai mare. Pentru o gamă de 0 până la 10 kHz, rata de actualizare este de 2 până la 4 ms, iar pentru o gamă de 0 până la 60 Hz, ieșirea actualizează fiecare ciclu la 16,6 ms. Pe măsură ce intervalul de conversie devine mai restrâns, de exemplu între 49 și 51 Hz, timpul de rezolvare a diferenței de 2 Hz la rezoluția de 12 biți crește. În acest caz, timpul de conversie este de aproximativ 59 ms.

În plus față de filtrul trece-jos, este construit un nivel de histerezis predefinit pentru a preveni numărarea falsă cauzată de zgomotul de înaltă frecvență. Timpul de deblocare poate fi programat de la 0,6 ms la 10 ms pentru manevrarea dispozitivelor electromecanice, cum ar fi contacte de comutator sau releu care vibrează în timpul comutării.

Măsurarea frecvenței prin numărarea impulsurilor comandate de poartă (gated-pulse)

Numărarea gated-pulse poate măsura frecvențele mult mai precis decât metodele de conversie frecvență-tensiune. Metodele de numărare gated-pulse numără impulsurile care apar într-o anumită perioadă de timp. Împărțirea numărului de impulsuri la intervalul de numărare determină frecvența și eroarea poate fi la fel de mică ca inversul intervalului de numărare. De exemplu, dacă intervalul de numărare este de două secunde, eroarea poate fi la fel de mică ca 0,5 Hz.

Multe sisteme de achiziție de date includ contoare/cronometre compatibile TTL care pot efectua gated-pulse, intrări la nivel digital, dar nu sunt potrivite pentru semnale analogice necondiționate. Din fericire, multe dispozitive cu ieșire-frecvență au o opțiune de ieșire TTL. Unele produse utilizează un IC contor/timer, care conține cinci contoare/cronometre. Multe IC-uri contor/timer utilizează în general un oscilator încorporat în sistemul de achiziție de date sau un oscilator extern. Astfel de circuite integrate au de obicei mai multe canale disponibile pentru a ajuta aplicațiile de numărare. Fiecare canal conține o intrare, o poartă și o ieșire. Metoda cea mai simplă de numărare utilizează doar intrarea, iar PC-ul este programat să citească periodic și să reseteze contorul. Slăbiciunea acestei abordări este incertitudinea din intervalul de sincronizare. Variațiile apar în vitezele de execuție ale funcțiilor care încep și termină numărarea. În plus, apelarea funcției care întârzie execuția programului pentru 50 ms se execută sub un temporizator de software inexact. Aceste două efecte pot face un interval de numărare scurt, măsurarea frecvenței inutilă. Cu toate acestea, tehnica este, de obicei, suficientă pentru numărarea intervalelor mai mari de o secundă.

Gating poate obține o precizie mai mare deoarece poarta controlează intervalul de numărare. În consecință, măsurătorile de frecvență sunt independente de problemele de sincronizare a software-ului. Poarta poate fi configurată astfel încât impulsurile să fie contorizate numai atunci când un semnal de nivel înalt intră în el. În mod similar, poarta începe să numere când detectează un impuls și oprește numărarea când detectează un alt impuls.

Un dezavantaj al contorizării cu impulsuri este că necesită un contor suplimentar pentru a furniza poarta. Cu toate acestea, în mai multe aplicații de canale, un singur numărător poate oferi poarta pentru mai multe canale. De exemplu, într-un sistem cu cinci canale, se numără patru canale, în timp ce un canal oferă o poartă.

Aplicații pentru sncronizare

Un contor/cronometru poate fi utilizat într-un sistem de achiziție a datelor pentru aplicații de sincronizare. Un semnal de tact conectat la intrarea unui canal și utilizând semnalul de intrare ca o poartă funcționează bine. Metoda necesită ca poarta să fie configurată pentru numărare atunci când intrarea la poartă este high. O tehnică similară poate măsura durata de timp scursă între două impulsuri prin configurarea porții pentru a începe numărarea la primul impuls și sfârșitul numărării la cel de-al doilea.

Deoarece un contor de 16 biți depășește 65.535 numere, lățimea maximă a impulsului măsurată cu un tact de 1 MHz este de 65.535 ms; un impuls mai lung depășește contorul. Cu toate acestea, un tact mai lent decât 1 MHz poate fi utilizat pentru impulsuri mai lungi.