Лекция 4. Структура МПСУ. Адаптеры датчиков и исполнительных механизмов

В упрощенном виде структура МПСУ приведена на рис. 1.

Информация о состоянии объекта управления поступает от датчиков параметров (Д1, Д2 и т.д.) в различном виде, в зависимости от типа используемого датчика. Это может быть сопротивление тензорезистора или терморезистора, ЭДС термопары, состояние электрического контакта и т.д. Выходные сигналы с датчиков должны быть усилены и преобразованы в цифровую форму.

Эту задачу выполняют специальные блоки – устройства ввода информации, в англоязычной технической литературе именуемые обычно адаптерами датчиков (входными адаптерами).

Управляющие сигналы, формируемые микроЭВМ, должны поступать к исполнительным механизмам (ИМ1, ИМ2 и т.д.), воздействующим на объект управления. Поскольку исполнительные механизмы не способны непосредственно воспринимать управляющие сигналы в цифровой форме, для их преобразования используются устройства вывода или адаптеры исполнительных механизмов (выходные адаптеры).

Свойства датчиков и исполнительных механизмов индивидуальны, на каждый из них требуется индивидуальный адаптер. На долю адаптеров приходится значительная, а иногда и большая часть электронных компонентов, на которых построена МПСУ. На них же приходится и значительная часть отказов МПСУ.

Электронные схемы адаптеров строятся в зависимости от принципа действия датчиков и исполнительных механизмов. Адаптеры аналоговых датчиков – наиболее сложные и обычно строятся по схеме, приводимой на рис. 2.

Рис. 2. Обобщенная схема адаптера аналогового датчика

Сигнал с датчика преобразуется и усиливается усилителем, например, до уровня 0…10 В, а затем поступает в аналого-цифровой преобразователь (АЦП). В АЦП он преобразуется в цифровой двоичный код. Чтобы обеспечить приемлемую погрешность преобразования, АЦП формирует 10…12 – разрядный код. Так, например, аналоговый сигнал диапазона 0…10 В, преобразованный в 12-разрядный код, будет выражаться цифрой, находящейся в диапазоне 0…4095 и представленной на выходе АЦП двоичным кодом, который может принимать значения от 000000000000 (цифра 0) до 111111111111 (цифра 4095). Этот код будет изменяться на единицу при изменении напряжения на 10/4095»2,5 мВ.

Для уменьшения объема и стоимости электроники, один АЦП обычно обслуживает несколько датчиков, поочередно подключаемых к нему через коммутатор (мультиплексор). Управление коммутатором осуществляет микроЭВМ.

В англоязычной технической литературе русской аббревиатуре АЦП соответствует аббревиатура "ADC" – Analogue to Digital Converter

(иногда сокращенно A/D.

Адаптеры датчиков дискретного действия (в виде электрического контакта) существенно проще, поскольку по принципу действия такой датчик сам формирует логические сигналы "0" или "1". В простейшем случае контакты датчика включаются последовательно с резистором и источником питания (рис. 3).

Рис. 3. Варианты включения дискретных датчиков

В первом варианте контакт "S" датчика нормально разомкнут и U_вых=5 В, ("1"). При срабатывании датчика его контакт "S" замыкается и U_вых=0 ("0"). Второй вариант схемы формирует противоположные, по сравнению с первым, дискретные сигналы - здесь датчик работает на размыкание, а в первой схеме – на замыкание.

Адаптеры исполнительных механизмов дискретного действия чаще всего строятся по схеме простейшего усилителя на транзисторе (рис. 1.15). В качестве исполнительного механизма используется электромагнитное реле, сигнальная лампа и т.д. На рис. 4 представлена типичная схема такого адаптера, работающего на реле.

Рис. 4. Адаптер дискретного выходного сигнала

Когда от микроЭВМ поступает напряжение логической "1", транзистор VT1 открывается, через обмотку реле К1 протекает ток, оно срабатывает и его контакты, включенные в цепь управления объектом, замыкаются. При подаче на вход логического "0", транзистор закрыт и реле обесточено. Диод VD1 защищает транзистор от выхода из строя. Когда транзистор закрывается, ток через катушку реле резко снижается, что вызывает появление на ее выводах ЭДС самоиндукции величиной сотни вольт. Эту ЭДС диод закорачивает, не позволяя ей воздействовать на транзистор. Для этих же целей вместо диода может использоваться варистор. Для визуального контроля подачи питания на реле К1 параллельно его обмотке включен светодиод VD2 с токоограничивающим резистором R2. Когда транзистор открывается ток проходит не только через обмотку реле, но и через светодиод, обеспечивая его свечение. Резистор R1 ограничивает ток базы транзистора.

Одно из достоинств данной схемы – электрическое (гальваническое) разделение силовой электрической цепи объекта управления и слаботочной цепи управления, т.е. микроЭВМ. Для этой же цели в схемах адаптеров как датчиков, так и исполнительных механизмов широко применяются оптроны (см. рис. 1.27).

В отдельных случаях цифровой сигнал, формируемый в микроЭВМ, необходимо выводить в аналоговой форме. Такие выходные адаптеры строятся на основе цифро-аналогового преобразователя (ЦАП). В англоязычной технической литературе аббревиатуре ЦАП соответствует "DAC" – Digital–Analog Converter (упрощенно – D/A). Такой преобразователь преобразует цифровой код определенной разрядности в пропорциональный ему аналоговый сигнал. Например, если на входы ЦАП поступает 12-разрядный двоичный код, численное значение которого находится в диапазоне 0...2¹² = 0...4095, то на выходе ЦАП будет формироваться напряжение в диапазоне 0…10 В, с "шагом" 10/4095»2,5 мВ.