МЕТОДИКА
НОВЫЕ ТЕХНОЛОГИИ ДЛЯ СБОРА ДАННЫХ В ЛЕСНЫХ
ЭКОСИСТЕМАХ С. Швецов
Научные интересы: автоматизация научных исследований, разработка аппаратных средств, системы управления и сбора данных Автоматизированная система сбора данных (АССД) на базе персонального компьютера (ПК) разработана с целью проведения комплексных эколого-физиологических исследований в лесных экосистемах. АССД обеспечивает проведение наблюдений за распределением влажности воздуха, температуры почвы, воздуха и органов растений, интенсивностью тепловых потоков, солнечной радиации. АССД представляет собой совокупность программных и аппаратных средств, обеспечивающих сопряжение самых разнообразных датчиков и устройств с персональным компьютером IBM PC AT. Программное обеспечение выполнено в виде управляющей программы, созданной на языке СИ. Программа осуществляет последовательный опрос датчиков, производя в соответствии с типом датчика настройку входных цепей приемных устройств. Результаты измерений образуют выходной файл, который после трансляции в Excel готов для последующей обработки в среде Windows. Предполагается дальнейшее совершенствование ПО, в частности – дополнение его графическим интерфейсом для визуального контроля измеряемых величин в режиме реального времени. Аппаратная часть АССД состоит из контроллера, который выполнен в виде платы 12ґ20 см и размещен на общей (ISA) шине компьютера и внешних устройств (ВУ), находящихся непосредственно на рабочих объектах (до 16 на один контроллер). Интерфейсная часть контроллера выполнена на логических элементах стандартным образом и использует два адреса: 300 – по записи и 310 – по записи и чтению. Управление работой внешних устройств осуществляется контроллером с помощью 16-разрядного кода (назначение разрядов будет приведено ниже). При этом используется последовательная передача данных, позволяющая сократить количество соединительных проводов. Для объединения ВУ применена шинная топология, все ВУ работают на одну линию связи, при этом каждое имеет свой адрес (от 0 до 15). Рассмотрим работу аппаратной части АССД на примере одного цикла измерения (рис. 1). Первый шаг – выбор одного из 16 датчиков на одном из 16 внешних устройств. После запуска управляющей программы шина ISA ПК инициирует цикл записи с адресом 300. Для интерфейсной части контроллера этот адрес является командой чтения данных. После выполнения операций, предусмотренных протоколом обмена, с шины данных ISA (в параллельном формате) данные поступают на сдвиговый регистр (две 1533ИР9) формирователя последовательного управляющего кода. После этого данные сдвигаются 16 раз (отсчитывается счетчиком 1554ИЕ23), обеспечивая передачу управляющего кода одновременно на все ВУ. Входные цепи ВУ производят обратную процедуру, преобразуя последовательный код в параллельный. Первые четыре разряда (рис. 2), имеющие 16 возможных комбинаций, поступают на вход дешифратора и активизируют одно из 16 ВУ. Все последующие операции выполняет это устройство, остальные находятся в состоянии ожидания. Четыре следующих разряда используются выбранным устройством для подключения одного из 16 датчиков к усилителю (использован коммутатор К591КН3), коэффициент усиления которого задается тремя следующими разрядами. На этом операция выборки ВУ и нужного датчика завершена. Оставшиеся пять разрядов используются следующим образом: один – для обеспечения сдвига входного сигнала на +5 В, если он отрицательный или меняет полярность в ходе эксперимента (здесь используется прецизионный источник опорного напряжения (ИОН) – REF195) и четыре других – для задания режимов работы дополнительных сервисных устройств. Следующий шаг – преобразование аналогового сигнала в частотный. Это необходимо сделать по двум причинам: во первых – компьютер воспринимает только цифровые сигналы, во вторых – передать аналоговый сигнал на значительные расстояния без потерь гораздо сложнее, чем цифровой. Преобразователь напряжения в частоту выполнен на микросхеме КР1108ПП1, которая включена по схеме генератора, управляемого напряжением и дает изменение частоты от 10 гц до 10 кгц при изменении входного сигнала от 10 мВ до 10 В соответственно с нелинейностью не более 0.01%. Последняя и очень ответственная операция, которую выполняет выбранное ВУ, это передача частотного сигнала в контроллер на вход блока измерения частоты. Здесь важно, во-первых, пропустить сигнал только от того ВУ, которое выбрано (реализуется логической схемой 2И-НЕ с использованием сигнала от дешифрации первых четырех разрядов управляющего кода), во вторых, обеспечить подавление случайных импульсных помех на линии передачи. Для решения этой задачи используется схема преобразователя RS-232C – "токовая петля 20 ма" (рис. 3). Схема несколько громоздка в исполнении, зато обеспечивает надежную связь во всем диапазоне используемых частот и, кроме того, применение транзисторной оптопары АОТ127А решает важную задачу – защиту компьютера от воздействия внешних напряжений, гальванически развязывая его и удаленные ВУ. Эта же схема использована для передачи управляющего кода, только уже в другом направлении – от контроллера к внешним устройствам. Итак, серия импульсов от выбранного ВУ с частотой, пропорциональной напряжению на выбранном датчике, поступает на счетный вход контроллера. Каким способом измерить частоту? Наиболее простой – регистрация количества входных импульсов в течение фиксированного интервала времени (рис. 4а). Однако, с уменьшением частоты входного сигнала уменьшается количество сосчитанных импульсов и, соответственно, увеличивается погрешность измерения. В этом случае можно применить другой метод – измерить период входного сигнала с помощью импульсов образцовой частоты (рис. 4б). Но здесь погрешность измерения будет возрастать с увеличением входной частоты (уменьшением периода входного сигнала). Для того, чтобы получить заданную точность измерений одновременно на низких и высоких частотах, измеряется длительность определенного количества периодов входного сигнала (рис. 4в) с последующим вычислением частоты по формуле: F=fM/N, где f – частота опорного тактового генератора, М – количество периодов входного сигнала, N – количество периодов тактового генератора. Относительная погрешность измерения обратно пропорциональна N, поэтому М необходимо задать таким, чтобы получить максимально возможное N (сверху значение N ограничено разрядностью измерителя). Для удобства, сначала измеряется длительность одного периода входного сигнала, а затем их количество увеличивается во столько раз, чтобы получить оптимальное значение N. Операционная часть измерителя частоты (рис. 5) состоит из двух счетчиков (Сч. 1 – для входного сигнала, Сч. 2 – для тактового сигнала) и схемы управления. Оба счетчика выполнены на микросхемах КР1554ИЕ8 (четырехразрядные, синхронные, двоичные счетчики) по четыре на каждый и имеют возможность записи. Их максимально возможное значение – 65536 счетных импульсов. В качестве источника тактовых импульсов используется сигнал OSC кварцевого генератора с шины ISA. Работа измерителя частоты начинается с записи числа (65536-М) в Сч. 1, при этом сбрасывается Сч. 2. Отсчитав М входных импульсов, Сч. 1 достигает своего максимального значения, останавливает работу Сч. 2 и выдает сигнал "счет окончен". Компьютер читает код Сч. 2 и вычисляет частоту входного сигнала. Результаты вычислений заносятся в файл данных с указанием времени измерения. Для того, чтобы получить окончательный результат (в единицах измерения, соответствующих типу выбранного датчика) необходимо после трансляции в Excel произвести дополнительную обработку данных с помощью калибровочных функций. Летом текущего года АССД введена в эксплуатацию и использована для сбора данных по микроклимату на Ляльском лесоэкологическом стационаре. Измерения проводились в сосново-еловом древостое, в радиусе 60 м от вагончика – места нахождения ПК. Результаты исследований дают основание утверждать, что использование АССД повышает эффективность и точность сбора данных, значительно ускоряет их обработку и получение конечных результатов. В перспективе предполагается совершенствование системы, расширение ее функциональных возможностей, в частности, – использование ее в составе измерительного комплекса для регистрации СО2 газообмена растений и почвы.
Логотип -
Начало -
Общие
сведения -
Структура -
Научная деятельность 4498 посещений с 03.12.2002 |