Система дистанционного контроля акустического окружения (шумомер) - Радиоэлектроника - Скачать бесплатно
Такий варіант, незважаючи на порівняно високу
вартість, має менше недоліків двох перших і тому
розвивається найбільш інтенсивно.
1.6 Застосування частотної корекції
Найпростішою фізичною мірою шуму є вимір його повного рівня звукового
тиску. З іншого боку, такий вимір не дає ніякої інформації ні про розподіл
частот шуму, ні про його сприйняття людиною, тобто практично таке
вимірювання буде не ефективним. Однак за допомогою простих засобів
вимірювальну апаратуру можна забезпечити деякими характеристиками, що
дозволяють зробити результати вимірів набагато ефективніше. Застосовується
набір частотних коригувальних фільтрів, характеристики яких індексовані
літерами А, В, С. Характеристика з індексом С мало залежить від частоти в
значній частині звукових частот, у той час як характеристика з індексом А
перебуває в сильній залежності від частот нижче 1000 Гц. Порівнюючи
частотну характеристику А с кривими рівня рівної гучності для чистих тонів
можна виявити деяку подібність між останніми й оберненою А-
характеристикою. Навіть незважаючи на те, що процес сприйняття звуків
людиною набагато складніше апроксимації за допомогою частотної корекції, як
це представлено кривою А, в багатьох випадках інформація може бути отримана
в результаті вимірів за допомогою апаратури за характеристикою А. Останній
довід також підтверджується тим, що існуючі національні й міжнародні
стандарти, що регламентуюсь вимірюванні та оцінці рівня шуму головним чином
рекомендують застосування коригувальної характеристики А.
[pic]
Рисунок 1.8 - Коригувальні характеристики А, В, С, D
Для того, щоб розрізняти фізичні вимірювання рівнів звукового тиску в
децибелах (дБ) (без частотної корекції) від суб'єктивного виміру рівнів
гучності у фонах і вимірів, зроблених за допомогою однієї з уведених
стандартних частотних характеристик А, В, С (або D), прийнята міжнародна
угода про те, що результати останнього виду вимірів повинні бути виражені у
вигляді рівнів звуку з використанням шкали децибел із вказівкою виду
частотної коригувальної характеристики А, В, або С (або D). Якщо,
наприклад, шум вимірюється з використанням корекції А, то результат повинен
бути представлений у вигляді дБ(А). Аналогічно, якщо виміру шуму
проводилися з використанням корекцій В та С (або D), ці результати повинні
бути виражені відповідно дБ(В), дБ(С) або дБ(D).
Існують випадки, коли при вимірюваннях необхідна набагато більш
вичерпна інформація про рівень шуму. Цю інформацію можна одержати,
проводячи частотний аналіз шуму; аналіз, що часто проводиться у вигляді
октавних, третинооктавних або ще більш вузьких смуг частот. З докладного
частотного аналізу спектра шуму може бути отримана найбільш придатна
інформація про звук, що досліджується.
2 СИНТЕЗ ПРИНЦИПОВОЇ СХЕМИ
Фірма MICROCHIP випускає 3 лінії 8-бітних КМОП мікроконтролерів,
відомих як PIC16Fxx, PIC18Fxx й PIC17Fxx.
Усі мікроконтролери виконані за RISC технологією, мають схему
запуску по включенню живлення, вартовий таймер, що програмується, біт
захисту від зчитування, припустимий струм по кожному виході до 20 мА й
низьке енергоспоживання - 2 мВ при при живленні 5 В на тактовій частоті 4
МГц; 15 мкА при живленні 3 В на тактовій частоті 32 кГц й менше 3 мкА в
режимі очікування.
2.1 Послідовний інтерфейс SPI
Мікроконтролери CP PIC16F877, MCP41050 та CP PIC18F258, що
використовуються у приладі, містять послідовний периферійний інтерфейс SPI
(Serial Peripheral Interface), призначений для обміну даними один з одним.
Принцип роботи послідовного обміну даними, реалізованого у
мікроконтролерах, одержав назву "Master-Slave" (буквально - "Хазяїн-раб"
або "Ведучий-ведений"), ілюструється схемою на рис. 2.1.
[pic]
Рисунок 2.1 – Принцип роботи SPI
Один із пристроїв, що беруть участь в обміні даними, є ведучим, інший
- веденим. Обмін здійснюється по чотирьох сигнальних лініях. Їх призначення
зазначені в таблиці 2.1.
Таблиця 2.1 Призначення сигнальних ліній
|SDO |Serial Data-Out (послідовне виведення даних)|
|SDI |Serial Data-In (послідовне введення даних) |
|SCK |SPI Clock (синхронізація) |
|SS |Slave Select (вибір веденого) |
Обидва пристрої, що приймають участь в обміні даними, містять регістр
зсуву. Регістри з'єднуються в коло, як показано на з використанням
відповідних входів SDl і виходів SDO. Зсув здійснюється по фронту імпульсу
синхронізації, при цьому ведучий передає веденому один біт зі свого
регістра зсуву, одержуючи біт з регістра останнього. Очевидно, якщо ведучий
подасть на шину синхронізації SCK число імпульсів, рівне розрядності
регістрів, то інформація з його регістра повністю передасться веденому, і
навпаки. Розрядність переданих слів - 8 біт.
Для того щоб можна було апаратно вибирати одного з декількох ведених
мікроконтролерів, використається додаткова лінія інтерфейсу SS.
Крім цього, вибір веденого може також здійснюватися передачею ведучим
адресного байта. Останній приймається всіма веденими й рівняється із
привласненими їм адресами. При збігу ведений активує лінії свого інтерфейсу
й здійснює необхідний обмін даними.
2.2 Вибір інтерфейсу підключення
При організації зв’язку між ЕОМ та шумоміром, що працює у режимі
датчика, необхідно зробити вибір відносно інтерфейсу передачі даних від
приладу до ЕОМ та у протилежному напрямі. Контролер CP PIC18F258, що
використовується у приладі, має можливість передавати сигнали по інтерфейсу
RS-232. Логічному „0” відповідає рівень сигналу 0 В, логічній „1” – 5 В.
Цей інтерфейс не дозволяє передавати інформацію на великі відстані, тому що
сильно піддається дії завад.
Інтерфейс повинен бути завадостійким, дозволяти здійснювати
підключення декількох приладів та бути достатньо простим при реалізації.
Цим вимогам відповідає послідовний інтерфейс RS-485.
Інтерфейс RS-485 (інша назва - EIA/TIA-485) - один з найпоширеніших
стандартів фізичного рівня зв'язку. Фізичний рівень - це канал зв'язку й
спосіб передачі сигналу.
Мережа, побудована на інтерфейсі RS-485, являє собою
прийомопередатчики, з'єднані за допомогою крученої пари - двох скручених
дротів. В основі інтерфейсу RS-485 лежить принцип диференціальної
(балансової) передачі даних. Суть його полягає в передачі одного сигналу по
двох проводам. По одному дроті (умовно A) передається оригінальний сигнал,
а по іншому (умовно B) - його інверсна копія. Якщо на одному дроті "1", то
на іншому "0" і навпаки. Таким чином, між двома проводами крученої пари
завжди є різниця потенціалів: при "1" вона додатна, при "0" – від’ємна.
Саме цією різницею потенціалів і передається сигнал (рис. 2.2).
[pic]
Рисунок 2.2 – Диференціальна передача даних
Такий спосіб передачі забезпечує високу стійкість до синфазної
перешкоди. Синфазною називають перешкоду, що діє на обидва дроту лінії
однаково. Електромагнітна хвиля, проходячи через ділянку лінії зв'язку,
наводить в обох проводах потенціал. Якщо сигнал передається потенціалом в
одному дроті щодо загального, як в RS-232, то наведення на дріт може
спотворити сигнал відносно добре поглинаючого наведення загального
("землі"). Крім того, на опорі довгого загального дроту буде падати різниця
потенціалів земель - додаткове джерело спотворень. А при диференціальній
передачі спотворення не відбувається. Таким чином, якщо два дроти
пролягають близько один до одного і перекручені, то наведення на обидва
дроту однакові. Потенціал в обох однаково навантажених проводах змінюється
однаково, при цьому інформативна різниця потенціалів залишається без змін.
RS-485 - напівдуплексний інтерфейс. Прийом і передача йдуть по одній
парі дротів з поділом у часі. У мережі може бути багато передавачів, тому
що вони можуть відключаються в режимі прийому.
Структурна схема такого інтерфейсу зображена на рис. 2.3.
[pic]
Рисунок 2.3 – Структурна схема підключення до інтерфейсу RS-485
Всі пристрої підключаються до одні крученої парі однаково: прямі
виходи до одного дроту, інверсні - до іншого.
При великих відстанях між пристроями, зв'язаними по кручений парі й
високих швидкостях передачі починають проявлятися так називані ефекти
довгих ліній. Причина цьому - кінцевість швидкості поширення
електромагнітних хвиль у провідниках. Швидкість ця істотно менше швидкості
світла у вакуумі й становить більше 200 мм/нс. Електричний сигнал має також
властивість відбиватися від вільних кінців лінії передачі і її відгалужень.
Для коротких ліній і малих швидкостей передачі цей процес відбувається так
швидко, що залишається непоміченим. Якщо відстань досить велика, фронт
сигналу, що відбився наприкінці лінії й повернувся назад, може спотворити
поточний або наступний сигнал. У таких випадках потрібно придушувати ефект
відбиття.
У будь-якої лінії зв'язку є такий параметр, як хвильовий опір Zв. Він
залежить від характеристик використовуваного кабелю, але не від довжини.
Для крученої пари, що застосовується у системі, Zв=120 Ом. Якщо на
вилученому кінці лінії, між провідниками кручений пари включити резистор з
номіналом рівним хвильовому опору лінії, те електромагнітна поглинається на
такому резисторі. Звідси його назви - резистор, що погодить, або
"термінатор".
Максимальна швидкість зв'язку по специфікації RS-485 може досягати 10
Мбіт/сек. Максимальна відстань (для максимальної швидкості)- 1200 м. Якщо
необхідно організувати зв'язок на відстані більшому 1200 м або підключити
більше пристроїв, чим допускає навантажувальна здатність передавача -
застосовують спеціальні повторювачі (репитери).
2.3 Опис схеми модуля індикації
Модуль індикації розроблений на основі мікроконтролера PIC16F877
(DD1). Для індикації використаються два восьмисегментних світлодіодних
індикатори: один чотирьохрозрядний (HG1), один однорозрядний (HG2).
Однорозрядний індикатор відображає поточний режим роботи приладу.
Режими роботи приладу детально розглянуті в розділі.
Чотирьохрозрядний індикатор використовується для відображення
поточного значення рівня шуму в дБ для октавних смуг і виміру пікфактора, і
в дБ(А) для виміру середнього рівня шуму. Десяткова кома фіксована і
розташована після третього розряду числа, тобто число представляється з
точністю до десятих часток цілого.
Слід зазначити, що індикатор HG1 є динамічним, тобто з поділом шини
між чотирма розрядами в часі. Тому в схемі й використається контролер, що
забезпечує роботу цього індикатора. Індикатор HG2 є статичним, і просто
підключений анодними входами до порту D мікроконтролера.
У модулі індикації передбачено 4 світлодіоди (VD1..VD4). Один з них
(VD1) запалюється, якщо на модуль надходить живлення. Інші 3 зарезервовані
для майбутніх розробок.
Для керування приладом у модулі передбачено три кнопки (JP1..JP3). Дві
з них (JP1, JP2) призначені для зміни режиму роботи, третя зарезервована
для майбутніх розробок. Придушення дрязкіту контактів здійснюється
програмним способом.
Живлення й сигнали модуля надходять від рознімача XP1. До цього
восьмиконтактного штиркового рознімача підключається кабель, що з іншої
сторони підключається до головного модуля.
Контролер модуля індикації зв'язується з головним модулем по
інтерфейсу SPI. При цьому модуль індикації передає поточний режим роботи, а
приймає чотири цифри, які необхідно відобразити на індикаторі.
Блок-схема роботи модуля індикації наведена на рис. 2.4.
[pic]
Рисунок 2.4 - Блок-схема роботи модуля індикації
2.4 Опис схеми головного модуля
Головний модуль шумоміра складається із трьох функціональних блоків:
джерела напруги, підсилювача й мікроконтролера.
Джерело напруги зібране на двох мікросхемах MC34063 фірми Motorola
(DA2, DA3). Одна з них видає напругу +5 В, інша - -5 В. Схеми включення
мікросхем узяті з відповідної технічної документації, розрахунок параметрів
схеми наведений у розділі.
Підсилювач виконаний на операційному підсилювачі LM2902 фірми Philips.
Фактично, у корпусі присутні чотири підсилювачі, але використаються тільки
три. Два підсилювачі виведені на насичення (DA4.2, DA4.3), і використаються
як джерела опорної напруги для АЦП мікроконтролера. Один підсилювач (DA4.1)
включений за інвертуючою схемою. У вхідному ланцюзі підсилювача знаходиться
резистор R1, у ланцюзі зворотного зв'язку - цифровий потенціометр MCP41050
фірми Microchip (DA1). Цифровий потенціометр керується мікроконтролером по
інтерфейсу SPI.
Цифровий потенціометр дозволяє адаптивно міняти коефіцієнт підсилення,
що дозволяє застосовувати вбудований у мікроконтролер 10-розрядним АЦП.
Для зв'язку приладу з ЕОМ використається інтерфейс RS-245. Контролер
підтримує інтерфейс RS-232 тільки на логічному рівні.. Щоб одержати
потрібні рівні напруги, використається перетворювач рівнів MAX232 (DD1).
Модуль містить чотири рознімачі (XP1..XP4). Рознімач XP1 підключається
до мікрофона. Через рознімач XP2 модуль зв'язується з ЕОМ. Рознімач XP3
підключається до батареї напругою +9В або до зовнішнього джерела живлення.
Для зв'язку з модулем індикації використається рознімач XP4.
Мікроконтролер PIC18F258 (DD2) використовується як і АЦП, так і для
рахунку ШПФ.
Блок-схема роботи головного наведена на рис. 2.5.
[pic]
Рисунок 2.5 - Блок-схема роботи головного модуля
2.5 Опис алгоритмів роботи пристрою
Модуль індикації виконує дві функції - відображає поточний стан
пристрою й взаємодіє з користувачем за допомогою клавіш.
Для індикації передбачені два восьмисегментних світлодіодних
індикатори й чотири світлодіода. На восьмисегментних індикаторах
відображається режим роботи й поточне значення рівня шумового тиску.
Чотирьохрозрядний індикатор HG1 працює в режимі ущільнення часу. Це
реалізується в такий спосіб. Анодні виводи індикатора підключені до
восьмирозрядного порту мікроконтролера. Кожен вивід відповідає одному
сегменту. Аноди розрядів з'єднані паралельно посегментно. Катодні виходи
підключені до чотирьох розрядів порту мікроконтролера. Кожен катодний вихід
відповідає одному розряду. Таким чином, подаючи логічний нуль на катодні
висновки ми активізуємо один розряд індикатора. Вся схема працює в такий
спосіб:
. на всіх катодних висновках установлюється «1»;
. на анодних висновках установлюється код символу;
. на один катодний вивід виводиться «0»;
. операція повторюється для кожного розряду.
Необхідно забезпечити частоту перемикання між розрядами не менш 20
кГц, щоб усунути мерехтіння. Реально частота значно вище.
Головний модуль служить для захвату сигналу з АЦП і розрахунком ШПФ.
Захват здійснюється через убудований 10-розрядний АЦП мікроконтролера.
Рахунок ШПФ й основна програма реалізовані мовою С. Існують
компілятори з мови С у машинні коди мікроконтролерів серії PIC18. Для
рахунку ШПФ застосовується арифметика із плаваючою комою. Апаратно ці
функції в контролері не реалізовані, а емулюються програмно. У контролері
присутній апаратний множник 8х8, що дозволяє значно підвищити швидкість
рахунку.
2.6 Режими роботи пристрою
При автономній роботі пристрій може вимірювати рівень шумового тиску в
різних режимах. Поточний режим роботи відображається на індикаторі HG2
Перемикання режимів роботи здійснюється натисканням кнопок JP1 й JP2.
При функціонуванні у режимі датчика прилад передає інформацію по
інтерфейсу RS-485 до ЕОМ, де здійснюється контроль і зберігання інформації,
живлення пристрою здійснюється по крученій парі.
У таблицю 2.2 зведені всі режими роботи і їхнє коротке пояснення.
Таблиця 2.2 - Режими роботи пристрою
|Символ |Пояснення |
|Х |Режим підключення до ПЕОМ, калібрування, |
| |настроювання, відновлення ПО |
|L |Середнє значення рівня звукового тиску без частотної|
| |корекції |
|A |Середнє значення рівня звукового тиску із частотною |
| |корекцією по коригувальній кривій «А» |
|B |Середнє значення рівня звукового тиску із частотною |
| |корекцією по коригувальній кривій «B» |
|C |Середнє значення рівня звукового тиску із частотною |
| |корекцією по коригувальній кривій «C» |
|D |Середнє значення рівня звукового тиску із частотною |
| |корекцією по коригувальній кривій «D» |
|1..8 |Середнє значення рівня звукового тиску в октавних |
| |смугах |
|P |Максимальне значення рівня звукового тиску, отримане|
| |за час виміру. |
3 РОЗРАХУНКОВА ЧАСТИНА
3.1 Розрахунок потужності схеми
Розрахунок потужності виконуємо виходячи з типових струмів споживання
окремих елементів схеми (таблиці 3.1 й 3.2).
Таблиця 3.1 - Струми споживання елементів схеми модуля індикації
|Елемент |Струм споживання,|Кількість |Загальний струм |
| |мА | |споживання, мА |
|DD1 |0,8 |1 |0,8 |
|HG1 |100,0 |1 |100,0 |
|HG2 |80,0 |1 |80,0 |
|VD1..VD4 |10,0 |4 |40,0 |
Таблиця 3.2 - Струми споживання елементів схеми головного модуля
|Елемент |Струм споживання,|Кількість |Загальний струм |
| |мА | |споживання, мА |
|DD1 |0,5 |1 |0,5 |
|DD2 |3,0 |1 |3,0 |
|DA1 |1,0 |1 |1,0 |
|DA2, DA3 |2,0 |2 |4,0 |
|DA4 |0,5 |1 |0,5 |
Підсумовуючи струми всіх елементів одержуємо струм споживання
I = 230 мА. (3.1)
При напрузі живлення 5В одержуємо потужність пристрою 1,15 Вт.
3.2 Розрахунок джерела напруги
Джерело напруги будується на мікросхемах MC34063 фірми Motorola.
Застосування таких мікросхем дозволяє одержати необхідну напругу +5В и -5В
при вхідній напрузі від 6В до 20В. Це важливо при живленні від батарей,
тому що напруга батареї може значно мінятися в міру її розряду. При
живленні від зовнішнього джерела застосування подібних мікросхем вигідно
тим, що не потрібно високої точності джерела напруги.
Типова схема підключення MCP34063 показана на рис. 3.1.
[pic]
Рисунок 3.1 - Схема підключення MCP34063 у режимі Step-Down
Крім того, застосування MC34063 дозволяє досить легко одержати
інверсну напругу, необхідне для живлення операційного підсилювача. Типова
схема такого підключення показана на рис .
[pic]
Рисунок 3.2 - Схема включення MCP34063 у режимі Inverting
Зробимо розрахунок параметрів схеми.
Вхідні дані: бажана вихідна напруга Vout = 5B, мінімальна вхідна
напруга Vin = 7B, мінімальна частота коливань Fmin = 200 кГц.
З [17] отримуємо Vsat = 1.5 В.
Відношення часів вмикання/вимикання:
[pic].
|
