Аналого-цифровой преобразователь как базовый элемент учебного компьютерного измерительного комплекса с аналоговыми датчиками физических величин

В статье рассматривается десятиразрядный аналого-цифровой преобразователь, который может являться базовым элементом для создания учебного компьютерного измерительного комплекса с аналоговыми датчиками физических величин. Приводится краткое описание программного обеспечения этого прибора.

Ключевые слова: аналого-цифровой преобразователь, АЦП, учебный компьютерный измерительный комплекс, аналоговые датчики, виртуальная измерительная система, виртуальный прибор.

В настоящее время компьютеры являются не только вычислительными средствами, но и входят как важная часть в состав универсальных виртуальных измерительных комплексов [6]. Один такой измерительный комплекс может заменить несколько стандартных учебных измерительных приборов [7].

Компьютер как часть любой виртуальной измерительной системы выполняет функцию информационного обеспечения процесса взаимодействия исследователя и объекта измерения. Экран компьютера предоставляет больше возможностей, чем экран осциллографа или дисплей мультиметра. При этом панель виртуального прибора, когда это необходимо, может полностью имитировать переднюю панель стандартного измерительного устройства, а может и существенно улучшить визуализацию исследуемых явлений и процессов. В отличие от панели стандартного измерительного прибора виртуальная панель может быть многократно изменена в процессе работы. Панель, сформированная на экране дисплея, так же, как и панель реального измерительного прибора, выполняет функции управления прибором. При этом пользователь может легко активизировать объект графической панели с помощью мыши или клавиатуры. Они удобнее, чем кнопки обычного прибора. К компьютеру можно подключить принтер, который предоставляет возможность оперативного вывода результатов экспериментального исследования на печать. Кроме того, компьютер очень хорошо приспособлен для накопления, обработки и передачи по линиям связи информации, полученной при экспериментировании.

Для измерений физических величин в компьютерных измерительных комплексах используют датчики. Цифровые датчики физических величин пока дороги, более дешёвыми являются аналоговые датчики. В связи с этим использование их в процессе обучения физике является пока более предпочтительным. Компьютер оперирует дискретными величинами, поэтому частью любого виртуального измерителя с аналоговым датчиком является аналого-цифровой преобразователь (АЦП). Это устройство, которое преобразует аналоговое напряжение (непрерывный сигнал), подаваемое на его вход, в цифровой код (дискретный сигнал). Таким образом, датчик, на выходе которого присутствует электрическое напряжение, пропорциональное измеряемой этим датчиком физической величине, может быть согласован с этим АЦП, если напряжение на выходе датчика не превышает максимально допустимое напряжение на входе АЦП [8].

Программирование виртуального измерителя, базирующегося на АЦП, сводится к обработке цифрового сигнала АЦП на основе входных-выходных характеристик используемого датчика. Конструкция АЦП определяет его стоимость, быстродействие и точность измерений.

Точность, чаще всего, является важнейшей характеристикой измерений. Она зависит от разрядности АЦП (чем выше разрядность, тем точнее цифровой измерительный прибор). На данный момент для учебных измерений можно использовать восьмиразрядные, десятиразрядные и двенадцатиразрядные АЦП. Такие конструктивно простые и дешёвые АЦП выполняют от нескольких десятков до нескольких тысяч измерений в секунду, что даёт возможность использовать их при изучении быстропротекающих процессов.

Рис. 1. Принципиальная схема АЦП

На рис. 1 приведена принципиальная схема используемого нами в учебных экспериментах десятиразрядного АЦП на базе микросхемы TLC1549IP [2, с. 45]. Он может применяться как устройство сопряжения различных аналоговых датчиков физических величин с компьютером и являться основным элементом учебного измерительного комплекса [3]. Входное напряжение такого АЦП не должно превышать 5 В, что обеспечивает точность измерений напряжения примерно равную 0,005 В.

АЦП формирует на выходе напряжения в диапазоне от 0 до 5 В. В то же время рабочие уровни напряжений на выводах COM-порта составляют около 12 В [1, с. 14]. Для решения этой проблемы в схеме АЦП применены три стабилитрона D4, D5, D6 на напряжение 4,7 В и два резистора R4, R5 по 8,2 кОм каждый. Интегральный стабилизатор 78L05, перед которым в схему включен импульсный диод D7, формирует напряжение 5 В из сигнала линии TD [8].

Приведённый на рис. 1 АЦП предназначен для работы с входными напряжениями в интервале от 0 В до опорного напряжения. Прибор имеет два входа для подачи опорного напряжения (REF- и REF+). Если вывод REF- микросхемы TLC1549 подключен к общему проводу (GND), то нулевое напряжение на входе микросхемы преобразуется на выходе в код, соответствующий нулю (0000000000). Напряжение на входе микросхемы, равное напряжению на входе REF+, определяется как соответствующее максимальному значению и преобразуется на выходе в код, соответствующий числу 1023 (1111111111) [8].

Довольно часто в схемах стабилизаторов напряжения используют стабилитроны, которым присущи некоторые недостатки, не позволяющие использовать их в качестве точного источника опорного напряжения. Для этих целей лучше подходят интегральные источники опорного напряжения (ИОН). В качестве такого ИОН в схеме используется микросхема LM385 (D3), рассчитанная на напряжение 2,5 В (точность поддерживаемого напряжения равна 1–2 %). Поэтому для того, чтобы на вход АЦП можно было подавать напряжение в интервале от 0 до 5 В (а именно такими и будут напряжения на выходах датчиков), применен делитель напряжения из двух резисторов R1 и R2 (сопротивление каждого из которых равно 100±1 кОм) [8].

Прибор может быть подключен к физическому (реальному) COM-порту компьютера или к USB-шине компьютера с помощью адаптера USB-COM (виртуальному COM-порту). Следовательно, его можно подключать к достаточно давно выпущенным домашним компьютерам, еще имеющим COM-порт, и к современным, у которых физический COM-порт, как правило, уже отсутствует. В случае подключения устройства к USB-шине необходимо предварительно в компьютере установить специальную программу-драйвер для создания виртуального COM-порта.

Программное обеспечение виртуального компьютерного прибора должно иметь развитый графический интерфейс. Практика показывает, что для учебных виртуальных измерительных приборов учителю удобнее создавать не универсальные многофункциональные программы, в которых предусмотрены все возможные варианты их использования, а относительно небольшие программы, ориентированные на решение узкоспециальных практических задач. Например, для каждого датчика лучше создать свою отдельную программу, чем создавать одну универсальную программу для всех датчиков, которые могут быть использованы. Универсальная программа будет иметь более сложный интерфейс, а также структурно будет более сложной, что потребует больших усилий при программировании. Программа, созданная под более узкую задачу (предназначенная для работы с одним датчиком), предоставляет минимально необходимый вариант автоматизированного управления измерительной системой, что существенно облегчает работу пользователя с ней: сокращает время подготовки прибора к работе, а простой интерфейс приложения не отвлекает от более важного процесса осмысления результатов измерений.

Рис. 2. Окно главного модуля программы

Предлагаемая компьютерная программа для АЦП состоит из трёх связанных модулей: презентационного модуля, главного модуля и авторского модуля. Первый модуль нужен для вывода экранной заставки с названием программы и кратким описанием её назначения. Второй модуль выполняет функции непосредственно цифрового измерителя напряжения. А третий обеспечивает вывод на экран сведений об авторе программы и её версии. Кроме того, в состав программного обеспечения входит справка по использованию данного программного обеспечения.

Основные процедуры главного модуля программы:

• процедура поиска существующих на данном компьютере портов и подключение первого из них;

• процедура управления измерениями;

• процедура выхода из программы;

• процедура создания формы главного модуля приложения;

• процедура считывания данных на входе COM-порта;

• процедура таймера;

• процедура вывода графика;

• процедура открытия COM-порта;

• процедура изменения частоты проведения измерений;

• процедура очистки окна графика;

• процедура удаления данных из оперативной памяти;

• процедура вывода справки;

• процедуры, реализующие функции верхнего меню.

Рис. 3. Импульс напряжения, сигнализирующий о готовности прибора к работе

Алгоритм работы программы заключается в следующем. Пользователь запускает исполняемый файл. Сначала на экране появляется заставка с названием программы. В это же время осуществляется поиск на компьютере всех существующих COM-портов и автоматическое подключение порта с наименьшим номером. Об успешности или неудаче этой операции программа сообщает пользователю, после чего на экране появляется окно, соответствующее главному модулю программы (рис. 2). Если устройство будет подключено к другому (не автоматически подключенному) порту, то пользователь может указать вручную номер порта, к которому оно подключено. О начале проведения измерений пользователь может узнать, увидев на графике непродолжительный по времени импульс напряжения (рис. 3). Сразу после этого прибор готов к измерениям, частоту проведения которых пользователь может изменять в режиме реального времени.

Блок-схема алгоритма проведения прибором измерений изображена на рис. 4 (считается, что первоначально счётчик времени обнулён).

Компьютерная программа для виртуального вольтметра написана в среде программирования Borland Delphi и предназначена для работы с цифровым измерителем электрического напряжения в операционных системах Windows XP, Windows Vista, Windows 7 [10]. В окне приложения размещены: верхнее меню, включающее пункты «Файл», «Измерения», «Справка»; место для визуализации графика зависимости измеряемого напряжения от времени; индикатор, показывающий текущее значение напряжения на входе АЦП; группа радиокнопок для выбора скорости измерений; управляющие кнопки «Пуск/Пауза» и «Сброс»; выпадающий список существующих на данном компьютере портов. Минимальная частота проведения измерений электрического напряжения равна 1 измерению в 2 минуты, максимальная — 100 измерений в секунду (1 измерение в 0,01 секунды). Это позволяет визуализировать на экране компьютера и анализировать с помощью подключенных к нему датчиков медленные и быстропротекающие процессы.

На основе данного базового элемента компьютерного измерительного комплекса (вольтметра) могут быть созданы другие виртуальные измерительные приборы: термометр, манометр, люксметр и дальномер. Например, в сочетании с описанным в статье АЦП мы используем потенциометрический датчик, аналоговый датчик температуры на базе микросхемы L335Z [9], аналоговый датчик давления газа на базе элемента MPX2200AP [5], аналоговый датчик освещённости на базе фотодиода BPW34 [4] и аналоговый датчик расстояния Sharp GP2Y0A02.

Рис. 4. Блок-схема алгоритма проведения измерений

Литература:

1. Агуров П. В. Последовательные интерфейсы ПК. Практика программирования / П. В. Агуров. — СПб.: БХВ-Петербург, 2005. — 496 с.

2. Гёлль П. Как превратить персональный компьютер в измерительный комплекс: Пер. с фр. / Л. Гёлль. — М.: ДМК Пресс, 2005. — 144 с.

3. Данилов О. Е. Компьютерный вольтметр как базовый элемент учебного компьютерного измерительного комплекса / О. Е. Данилов // Проблемы и перспективы развития образования в России: Сборник материалов VII Международной научно-практической конференции / Под общ. ред. С. С. Чернова. — Новосибирск: Издательство НГТУ, 2011. — С. 131–134.

4. Данилов О. Е. Компьютерный люксметр для учебных исследований / О. Е. Данилов // Современные проблемы науки: Сборник статей Международной заочной научно-практической конференции; Под общ. ред. Н. А. Максимовой. — Смоленск, Принт-Экспресс, 2011. — С. 99–103.

5. Данилов О. Е. Компьютерный манометр с аналоговым датчиком давления для учебного физического эксперимента / О. Е. Данилов // Новые технологии в образовании: Материалы VII Международной научно-практической конференции: Сборник научных трудов; Под ред. Г. Ф. Гребенщикова. — М.: Издательство «Спутник+», 2011. — С. 233–236.

6. Данилов О. Е. Лабораторный практикум: Компьютерные измерения в молекулярной физике и термодинамике. Учебно-методическое пособие / О. Е. Данилов. — Глазов: ГГПИ, 2009. — 28 с.

7. Данилов О. Е. Применение компьютерных технологий в учебном физическом эксперименте / О. Е. Данилов // Молодой учёный. — 2013. — № 1. — С. 330–333.

8. Данилов О. Е. Создание компьютерного измерительного комплекса с аналоговыми датчиками для школьного кабинета физики / О. Е. Данилов // Дистанционное и виртуальное обучение. — 2013. — № 3. — С. 93–102.

9. Данилов О. Е. Учебный компьютерный термометр с аналоговым датчиком температуры / О. Е. Данилов // Актуальные проблемы математики, физики, информатики в вузе и школе: Материалы Всероссийской региональной научно-практической конференции. — Комсомольск-на-Амуре: Изд-во АмГПГУ, 2011. — С. 209–213.

10. Свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ № 2011617600. Виртуальный прибор «Цифровой вольтметр» / О. Е. Данилов. — Заявка № 2011613163; зарегистр. в Реестре программ для ЭВМ 29.09.2011.