Аннотация
Павлий А.Н., Чекавский Г.С. Разработка устройства регистрации сигналов на основе аппаратной вычислительной платформы Аrduino. Разработка и создание четырехканального регистратора аналоговых сигналов низкой частоты на основе аппаратной вычислительной платформы Аrduino.
Вступ.
При проектировании систем автоматического управления электроприводом часто возникает необходимость компьютерной обработки аналоговых сигналов датчиков скорости, тока, напряжения, положения, что предполагает получение численных значений сигналов с помощью аналогово-цифрового преобразователя (АЦП). В дальнейшем цифровые сигналы могут быть использованы для организации обратных связей в системе регулирования, или же для графического отображения состояния объекта регулирования. Разработка недорогого устройства регистрации сигналов, которое можно использовать в учебной и научно-исследовательской работе, представляет достаточно большую актуальность.
Цель работы
Целью данной работы является разработка и создание устройства регистрации аналоговых сигналов невысокой частоты в виде напряжения, изменяющегося в диапазоне напряжений ±10В. Такое устройство удобно использовать в качестве цифрового осциллографа для сигналов датчиков напряжений, тока, тахогенераторов.
Для решения поставленной задачи была использована плата АЦП, реализованная на основе платформы Arduino [1], которая в настоящее время пользуется большой популярностью благодаря удобству и простоте языка программирования, открытой архитектуре и программному коду. Существует несколько версий платформ Arduino, отличающиеся, в основном, типом используемого микроконтроллера семейства ATmega. Принципиально может быть использована любая из версий платформ, причем, строго говоря, далеко не все возможности платформы будут при этом использованы. Поэтому данная задача может рассматриваться как фрагмент более сложного проекта по созданию автоматизированной системы управления некоторым электромеханическим объектом, так как, помимо регистрации сигналов, с помощью Arduino можно также организовать и формирование управляющих сигналов, используя выходы, поддерживающие ШИМ. Кроме того, возможна программная реализация цифровых регуляторов или фильтров любой степени сложности.
Ниже приведем описание разработанного 4-канального цифрового регистратора на базе платформы Arduino Mega (рис.1), использующей микроконтроллер ATmega2560. Для работы необходимо подключить плату Arduino Mega к порту USB персонального компьютера.
Рисунок 1 – Плата Arduino Mega
Аналоговые входы Arduino рассчитаны на напряжение от 0 до 5 В, поэтому входные сигналы должны быть предварительно нормированы, для чего предусмотрена отдельная плата.
На плате нормирования сигналов реализованы инвертирующие схемы усиления на базе операционных усилителей (ОУ) со смещением сигналов по уровню. На рис. 2 показана схема, в которой с помощью ОУ значение регистрируемого сигнала уменьшается в 4 раза, и полученный сигнал сдвигается вверх относительно общей точки на 2,5 В. Для питания ОУ использован двуполярный источник питания ±12,5 В (на основе 2 однополярных источников).
Рисунок 2 – Модель схемы нормирования сигнала в программе Proteus
На рис. 3 представлен внешний вид разработанного устройства. Для одновременного нормирования четырех сигналов использована микросхема TL074CN [2], в которой объединены четыре ОУ.
Рисунок 3 – Общий вид устройства регистрации на базе Arduino Mega: 1 – входные клеммы нормирующей платы (4 входа и GND); 2 – клеммы питания (+12,5В, -12,5В и GND); 3 – микросхема TL074CN; 4 – выходные клеммы нормирующей платы (4 выхода и GND); 5 – аналоговые входы Arduino (A0, A1, A2, A3 и GND); 6 – USB-порт для подключения к компьютеру.
Программная часть проекта реализована в средах разработки Arduino и Processing. Программа, отвечающая за прием числовых данных на компьютере, написана в среде разработки Arduino IDE [3] – приложении на Java, включающем в себя редактор кода, компилятор и модуль передачи прошивки в плату. Скрипт данной программы имеет вид:
Программа визуализации написана на открытом языке программирования Processing [4], основанном на Java; полный листинг программы здесь не приводится.
На рис. 4 приведен пример регистрации трех сигналов (напряжение задатчика интенсивности, скорости и тока якоря двигателя постоянного тока) с помощью разработанного устройства.
Рисунок 5 – Окно программы регистрации
Выводы:
- Разработанное устройство можно применять в качестве простого и удобного средства регистрации переходных и установившихся процессов с частотой дискретизации до 1 кГц.
- Дополнительные возможности платформы Arduino в перспективе могут быть использованы для увеличения набора регистрируемых сигналов. При этом следует учитывать, что с увеличением числа каналов увеличивается период дискретности чтения данных, следовательно, снижается точность регистрации.
Список использованной литературы
1. Официальный русскоязычный сайт платформы Arduino http://arduino.ru/
2. Описание и технические характеристики микросхемы TL074CN [Электр. ресурс]. – Реж. дост.: http://www.alldatasheet.com/view.jsp?Searchword=Tl074cn
3. Официальный сайт среды разработки Arduino IDE http://www.arduino.cc/
4. Официальный сайт среды разработки Processing http://www.processing.org/