Тема 3. Устройства ввода и вывода технологических параметров

Тема 3. Устройства ввода и вывода технологических параметров

По КУПД: 3 ч = 1 ч лекции + 2 ч ЛПЗ.

Открыть полный конспект PDF · Скачать Word · Открыть тренажёр

1. Назначение устройств ввода

Устройства ввода связывают внешние технологические параметры с микропроцессорной системой. Они принимают сигнал датчика или другого источника, выполняют необходимое согласование и передают информацию процессору в форме, пригодной для цифровой обработки.

2. Соединение модуля ввода с процессором

КУПД предусматривает рассмотрение способов соединения модуля ввода с процессором. На учебном уровне это обмен через внутреннюю шину, специализированный периферийный интерфейс или цифровой канал. Реальная архитектура определяется документацией оборудования.

3. Типовая структура аналогового входа

Типовой аналоговый вход может включать защиту, нормирование сигнала, фильтрацию, АЦП и цифровой интерфейс с процессором. В конкретном устройстве отдельные функции могут быть объединены в одной микросхеме.

4. Аналого-цифровой преобразователь

АЦП преобразует аналоговый сигнал в цифровой код. Для учебного объяснения процесс удобно представить как выборку, квантование и кодирование.

• Разрядность задаёт число кодовых уровней 2^N.
• Входной диапазон определяет допустимую область входного сигнала.
• Скорость преобразования характеризует частоту получения новых кодов.
• Погрешностные характеристики определяются документацией конкретного АЦП или модуля.

Важно: разрядность сама по себе не равна полной точности измерительного канала.

5. Задание диапазона аналогового датчика

При линейном масштабировании нормированный сигнал связывают с нижней и верхней границей инженерной величины:

X = Xmin + (S − Smin)/(Smax − Smin) × (Xmax − Xmin).

Для учебного датчика 0…16 МПа с сигналом 4–20 мА получаем: 4 мА → 0 МПа; 8 мА → 4 МПа; 12 мА → 8 МПа; 16 мА → 12 МПа; 20 мА → 16 МПа.

6. Учебный вход 4–20 мА через 250 Ом

В существующем тренажёре ток 4–20 мА преобразуется резистором 250 Ом примерно в 1–5 В. Например, 12 мА × 250 Ом = 3 В. Это учебная модель; реальная схемотехника определяется документацией конкретного модуля.

7. Задание диапазона цифрового датчика

Цифровой датчик может передавать готовое число, код или значение в заданном формате. При конфигурировании необходимо определить нижнюю и верхнюю инженерные границы, цифровой формат или код, масштаб и единицу измерения.

8. Назначение устройств вывода

Устройства вывода преобразуют результат цифровой системы в форму, пригодную для внешнего устройства: дискретный сигнал, аналоговый уровень, токовый сигнал или данные интерфейса. КУПД в этой теме отдельно рассматривает преобразование цифрового кода в аналоговый сигнал.

9. Цифроаналоговый преобразователь

ЦАП преобразует цифровой код в аналоговый уровень. После ЦАП обычно используется выходной формирователь или усилитель, обеспечивающий требуемый диапазон напряжения или тока и работу с нагрузкой.

• разрядность;
• диапазон выходного сигнала;
• скорость установления;
• погрешностные характеристики.

10. Сквозной путь сигнала

Учебный путь: физическая величина → датчик → нормированный сигнал → входной модуль → АЦП → CPU → цифровое задание → ЦАП → выходной каскад → аналоговый выход. Проверка контрольных точек по этой цепочке позволяет локализовать неисправность.

11. Практическая работа

Основное практическое задание КУПД — задание диапазонов измерений аналоговых и цифровых датчиков. В учебном комплекте оно раскрывается через масштабирование 4–20 мА, сопоставление доли диапазона с кодом 12-разрядного АЦП, задание цифрового диапазона и диагностику.

12. Интерактивный тренажёр

Тренажёр микропроцессорной системы ввода-вывода позволяет менять диапазон датчика, физическую величину, разрядность АЦП, выходное задание и нагрузку; отображает контрольные точки и моделирует неисправности датчика, входного резистора, АЦП, масштабирования, памяти, интерфейса, ЦАП и выходного каскада.

13. Диагностические примеры

Если ток, напряжение на входе и код АЦП корректны, но CPU показывает неверное инженерное значение, проверяют масштабирование и конфигурацию. Если CPU и цифровое задание корректны, а аналоговый выход неверен, проверяют ЦАП, выходной каскад, питание и нагрузку.

14. Контрольные вопросы

1. Каково назначение устройства ввода?
2. Как модуль ввода может соединяться с процессором?
3. Какие узлы входят в типовой аналоговый вход?
4. Что делает АЦП?
5. Что означает разрядность АЦП?
6. Как выполняется линейное масштабирование 4–20 мА?
7. Как задаётся диапазон цифрового датчика?
8. Каково назначение устройства вывода?
9. Что делает ЦАП?
10. Как локализовать ошибку масштабирования?
11. Как отличить неисправность ЦАП от выходного каскада?
12. Какие режимы предоставляет тренажёр темы?

Граница темы: интерфейсные устройства подробно рассматриваются в теме 4, внешние устройства — в теме 5. Формулы и диагностические сценарии являются учебным раскрытием темы и не заменяют техническую документацию конкретного промышленного модуля.

Объём: 2 часа ЛПЗ.

Основное задание КУПД: задание диапазонов измерений аналоговых и цифровых датчиков.

1. Задать диапазон аналогового датчика 4–20 мА и выполнить линейное масштабирование в инженерные единицы.
2. Для учебного входа с резистором 250 Ом сопоставить ток 4–20 мА с напряжением 1–5 В.
3. Для 12-разрядного АЦП сопоставить долю диапазона с кодом 0…4095.
4. Задать нижнюю и верхнюю инженерные границы цифрового датчика, его цифровой формат/код, масштаб и единицу.
5. Проследить обратный путь CPU → цифровое задание → ЦАП → выходной каскад → аналоговый сигнал.
6. Выполнить режимы «Эксперимент» и «Диагностика» в тренажёре и локализовать не менее двух неисправностей по контрольным точкам.

Открыть интерактивный тренажёр

Тема: «Устройства ввода и вывода технологических параметров».

По КУПД: 3 академических часа = 1 час лекции + 2 часа лабораторно-практических занятий.

Теоретические вопросы

1. Назначение устройств ввода и принцип работы.
2. Способы соединения модуля ввода с процессором.
3. Типовая структура модуля ввода аналоговых сигналов.
4. Базовые принципы построения современных модулей аналогового ввода.
5. АЦП: назначение, способы преобразования информации, основные характеристики.
6. Назначение устройств вывода технологических параметров.
7. Преобразование входного цифрового кода в выходной аналоговый сигнал.
8. ЦАП: принцип работы и основные характеристики.

ЛПЗ

Задание диапазонов измерений аналоговых и цифровых датчиков.

Тренажёр: микропроцессорная система ввода-вывода.

Проведена индивидуальная консультация по теме «Устройства ввода и вывода технологических параметров» дисциплины ОП.05 «Основы микропроцессорной техники» для слесаря по КИПиА 6-го разряда. Рассмотрены устройства ввода, связь входного модуля с процессором, структура аналогового входа, назначение и основные характеристики АЦП, устройства вывода и ЦАП. Практически отработано задание диапазонов аналоговых и цифровых датчиков, масштабирование сигналов и диагностика канала по контрольным точкам с использованием интерактивного тренажёра.