Основными функциями этого модуля являются формирование управляющих и вспомогательных импульсов, обработка входного сигнала и вывод полученных результатов на дисплей. Рассмотрим подробнее обработку входного сигнала и, в частности, измерение частоты входного напряжения исходя из озвученных выше условий. Очевидно, что метод измерения "в лоб", т.е. подсчет количества импульсов в единицу времени, не проходит - точность будет очень далека от требуемой. Для получения нужных нам результатов можно, например, сделать следующим образом. Сформируем условный временной интервал, длительность которого будет равна, скажем, ста периодам частоты входного сигнала. Для частоты 1000 Гц длительность этого интервала будет равна (1/1000)*100 = 0,1 с (исходя из этого допущения можно сразу принять фиксированную длительность Вспомогательного импульса 2 равной, например, 0,3 с , что вполне удовлетворяет поставленным выше условиям для времени измерения входного сигнала; тогда минимальный предел измерения напряженности магнитного поля для нашего прибора будет составлять примерно ~10000 нТл с учетом всевозможных временных задержек).
Далее, для наглядности, предположим, что на один из двух входов логического элемента "И" подается наш условный временной интервал (зависящий от частоты входного сигнала), а на другой - сигнал с высокостабильного кварцевого генератора с фиксированной частотой, скажем, F ген =1МГц. Тогда по количеству импульсов на выходе логического элемента можно судить о частоте входного сигнала: F входн =1/((Кол-во имп./F ген )/100). Чем выше частота F ген , тем выше точность измерения частоты. Для получения результата измерения в нТл необходимо значение входной частоты в Гц умножить на коэффициент 23,4872 (и коэффициент, и значение частоты, разумеется, можно округлять, но желательно, чтобы погрешность измерения не превышала 1 нТл).
Вернемся к функциям модуля микроконтроллера и рассмотрим все предъявляемые к нему в идеале требования подробно. Как видно из блок-схемы, управление работой и настройки осуществляются при помощи пяти кнопок. Все функции модуля микроконтроллера можно свести в два основных режима - режим работы и режим настроек. По нажатию кнопки "Меню" прибор переходит из рабочего режима в режим настроек, повторное нажатие возвращает его в рабочий режим. Кнопками "Влево" и "Вправо" осуществляется навигация по функциям в режиме настроек, а также просмотр результатов измерений в рабочем режиме (более подробно это будет рассмотрено ниже). Кнопка "OK" служит для записи измененных настроечных параметров в EEPROM контроллера, входа в подменю и выхода из него, а также для проведения одиночного измерения магнитного поля в режиме работы (при выбранном ручном режиме (см. далее)) при ее кратковременном нажатии. Кнопка "Фон" предназначена для записи результатов только что сделанного замера магнитного поля в специальную ячейку памяти, относительно которой могут проводиться дальнейшие измерения, подробнее об этом ниже. Настроечное меню (вызывается нажатием кнопки "Меню" из рабочего режима) состоит из двух основных подменю:
1. Рабочие настройки
2. Аппаратные настройки
В рабочих настройках содержатся параметры, предназначенные для изменения пользователем в процессе полевых работ, а в аппаратных настройках - параметры, установленные изготовителем прибора и зависящие от типов датчика и рабочего вещества, методов поляризации и измерения.
Выбор значения осуществляется кнопками "Влево" и "Вправо", "ОК" - вход в подменю, "Меню" - выход в режим работы.
Рассмотрим каждое из подменю:
А) - Рабочие настройки. Включают в себя следующие функции:
1. Метод работы
2. Метод измерений
3. Интервал
4. Диапазон
5. Звуковое оповещение
6. Контроль питания
7. Подсветка дисплея
Кнопками "Влево" и "Вправо" осуществляется выбор пункта, "ОК" - вход в подменю выбранного пункта, "Меню" - выход в режим настроек.
Рассмотрим каждый из пунктов:
1. Метод работы подменю:
а) Типовой (по умолчанию) (здесь и далее параметры по умолчанию заносятся в EEPROM при прошивке микроконтроллера).
б) Относительный
Эти пункты задают вид экрана и некоторые специфические функции в режиме работы.
Крупная надпись в нижней половине экрана - величина только что сделанного измерения магнитного поля (т. е. "последнего"). В столбцах с индексами "-1", "-2" и т.д. значения предпоследнего, предпредпоследнего и т. д. измерения соответственно. Отличия этих методов заключается в том, что для типового просто делается ряд замеров и контролируется изменение поля между только что сделанным измерением и измерением в соответствующем столбце (эта разница и есть цифры в столбцах со знаками "+" и "-"). Для относительного процедура несколько иная. Оператор выходит на местность и делает ряд пробных замеров с целью определить примерный магнитный фон. Когда, по его мнению, после очередного замера показания внизу экрана наиболее соответствуют фону, он нажимает кнопку "Фон" и это показание переносится в столбец "ФОН". Далее все как в первом варианте, с тем лишь отличием, что цифры с плюсами и минусами в столбцах "-1", "-2" соответствуют разнице между фоном и сделанным предпоследним и предпредпоследним измерением соответственно, а в столбце "ФОН" показана разница между фоном и только что сделанным измерением. Для работы при относительном методе измерений необходимо выбрать его в меню "Метод работы", выйти из режима настроек в режим работы (при этом в верхней половине экрана не будет никаких данных), сделать несколько замеров магнитного поля (результат каждого сделанного замера отражается в нижней части экрана, а при проведении последующего замера стирается и заменяется на новый), при соответствии индицируемого замера средней величине магнитного поля нажать кнопку "Фон" - это значение переносится в столбец "ФОН", вид экрана меняется на показанный выше для относительного метода и прибор готов к работе.
Под хранение данных измерений (примерно 50-100 значений) желательно использовать энергонезависимую память EEPROM, чем больше их туда влезет, тем, разумеется, лучше. Просмотр результатов измерений (т. е. "прокрутка" верхней половины экрана) осуществляется в режиме работы при помощи кнопок "Влево" и "Вправо", при одновременном нажатии этих кнопок в течение нескольких секунд все сохраненные данные стираются. Это дает возможность на местности делать замеры, а дома анализировать данные и составлять магнитометрические карты.
Выбор типового или относительного метода осуществляется кнопками "Влево" и "Вправо", "ОК" - сохранение выбранного значения в EEPROM и выход в меню рабочих настроек, "Меню" - выход в меню рабочих настроек без сохранения изменений.
2. Метод измерений подменю:
а) ручной (по умолчанию)
б) автоматический
При ручном методе каждое измерение в режиме работы производится только при кратковременном нажатии кнопки "ОК" (необходимо предусмотреть блокировку этой кнопки от повторного нажатия до полного окончания цикла одного измерения (см. приведенные выше графики).
При автоматическом прибор беспрерывно делает измерения с интервалом времени между ними, задаваемым в следующем пункте меню. Кнопка "ОК" в режиме работы заблокирована.
Выбор значения осуществляется кнопками "Влево" и "Вправо", "ОК" - сохранение выбранного значения в EEPROM и выход в меню рабочих настроек, "Меню" - выход в меню рабочих настроек без сохранения изменений.
3. Интервал
Задает значение временного интервала между циклами измерений для автоматического метода (см. приведенные выше графики).
Принимает значения от 0,5 с до 5 с с шагом 0,5 с. (по умолчанию 3 с).
Выбор значения осуществляется кнопками "Влево" и "Вправо", "ОК" - сохранение выбранного значения в EEPROM и выход в меню рабочих настроек, "Меню" - выход в меню рабочих настроек без сохранения изменений.
4. Диапазон.
Служит для переключения диапазонов измерения при использовании резонансного включения датчика (фактически для подключения разных значений емкостей между точкой соединения К2 с малошумящим входным усилителем и корпусом (см. общую блок-схему).
Принимает значения от 1 до 5 (а по возможности до 8-9, для наиболее полного перекрывания возможных рабочих диапазонов)с шагом 1 (по умолчанию 1) и приводит к появлению активного логического уровня на соответствующем выводе микроконтроллера (см. блок-схему модуля микроконтроллера). При дефиците свободных портов можно использовать, например, десятичный счетчик - тогда потребуются всего два порта (один на сброс счетчика, а другой для загрузки в него последовательности из определенного количества импульсов).
Выбор значения осуществляется кнопками "Влево" и "Вправо", "ОК" - сохранение выбранного значения в EEPROM и выход в меню рабочих настроек, "Меню" - выход в меню рабочих настроек без сохранения изменений.
5. Звуковое оповещение.
Желательно для оповещения оператора об относительно большом изменении магнитного поля между только что сделанным измерением и предыдущим (или фоновым, в зависимости от метода работы).
Формирует кратковременный звуковой сигнал, если модуль разницы вышеуказанных значений превышает установленный порог.
Принимает значения от Выкл. (оповещение отключено) (по умолчанию) до 500 нТл (установка модуля порога) с шагом 50 нТл.
Выбор значения осуществляется кнопками "Влево" и "Вправо", "ОК" - сохранение выбранного значения в EEPROM и выход в меню рабочих настроек, "Меню" - выход в меню рабочих настроек без сохранения изменений.
6. Контроль питания.
Индицирует текущее напряжение питания.
"ОК" или "Меню" - выход в меню рабочих настроек.
7. Подсветка.
Включает и выключает подсветку дисплея.
Принимает значения Вкл. и Выкл. (по умолчанию).
Выбор значения осуществляется кнопками "Влево" и "Вправо", "ОК" - сохранение выбранного значения в EEPROM и выход в меню рабочих настроек, "Меню" - выход в меню рабочих настроек без сохранения изменений.
Б) - Аппаратные настройки. Включают в себя следующие функции:
1. Время поляризации.
2. Время подавления переходного процесса.
3. Задержка подключения усилителя.
4. Входная задержка.
5. Порог разряда аккумулятора.
Кнопками "Влево" и "Вправо" осуществляется выбор пункта, "ОК" - вход в подменю выбранного пункта, "Меню" - выход в режим настроек.
1. Время поляризации.
Задает значение длительности импульса поляризации (см. приведенные выше графики). Изменение этого параметра необходимо для обеспечения работоспособности прибора с разными типами рабочего вещества в датчике (например, для керосина это значение составляет 0,6-0,7 с, а для дисциллированной воды - 2,5-2,8 с).
Принимает значения от 0,2 с до 3 с с шагом 0,2 с. (по умолчанию 0,7 с).
Выбор значения осуществляется кнопками "Влево" и "Вправо", "ОК" - сохранение выбранного значения в EEPROM и выход в меню аппаратных настроек, "Меню" - выход в меню аппаратных настроек без сохранения изменений.
2. Время подавления переходного процесса.
Задает величину временного интервала, на которую Вспомогательный импульс 1 больше Управляющего импульса 1 (см. приведенные выше графики). Служит для адаптации устройства под датчики различных топологий, индуктивностей и с различными активными сопротивлениями.
Выбор значения осуществляется кнопками "Влево" и "Вправо", "ОК" - сохранение выбранного значения в EEPROM и выход в меню аппаратных настроек, "Меню" - выход в меню аппаратных настроек без сохранения изменений.
3. Задержка подключения усилителя.
Задает величину, на которую Управляющий импульс 2 отстает от Вспомогательного импульса 2 (см. приведенные выше графики). Может понадобиться при использовании различных методов поляризации. Принимает значения от 3 мс до 30 мс с шагом 3 мс (по умолчанию 9 мс).
Выбор значения осуществляется кнопками "Влево" и "Вправо", "ОК" - сохранение выбранного значения в EEPROM и выход в меню аппаратных настроек, "Меню" - выход в меню аппаратных настроек без сохранения изменений.
4. Входная задержка.
Задает величину временного интервала между началом Управляющего импульса 2 и переходом входа микроконтроллера в режим счета входных импульсов (на которую вход микроконтроллера "запаздывает", вообще же микроконтроллер выходит из режима подсчета входных импульсов одновременно с окончанием Вспомогательного импульса 2 и Управляющего импульса 2 и находится в режиме счета как минимум 0,3 с - 30 мс - 50 мс = 0,22 с, что соответствует нижнему диапазону измерения (при подсчете длительности ста входных импульсов (1/(0,22/100)) *23,4872 = ~ 10600 нТл). Может потребоваться для установления усилительно-фильтрующей схемы в линейное состояние, особенно при использовании резонансного метода включения датчика.
Принимает значения от 0 мс до 50 мс с шагом 5 мс (по умолчанию 20 мс).
Выбор значения осуществляется кнопками "Влево" и "Вправо", "ОК" - сохранение выбранного значения в EEPROM и выход в меню аппаратных настроек, "Меню" - выход в меню аппаратных настроек без сохранения изменений.
5. Порог разряда аккумулятора.
Устанавливает значение порога разряда элементов питания, по достижению которого прибор оповещает об этом оператора в произвольной форме.
Принимает значения от 8 В до 18 В с шагом 0,5 В (по умолчанию 11 В).
Выбор значения осуществляется кнопками "Влево" и "Вправо", "ОК" - сохранение выбранного значения в EEPROM и выход в меню аппаратных настроек, "Меню" - выход в меню аппаратных настроек без сохранения изменений.
"Нет сигнала" - при отсутствии подсчитываемых импульсов на входе микроконтроллера за интервал измерения.
"Превышение предела" - при расчетном значении напряженности более 99999 нТл.
"Принижение предела" - при количестве счетных импульсов за интервал измерения менее 100.
Подобный вид отображения информации и обилие настроек вызваны желанием получить не только высокофункциональное универсальное цифровое ядро протонного магнитометра, но и инструмент для проведения экспериментов с разными типами датчиков и рабочего вещества. При возникновении трудностей с реализацией всего этого задачу можно серьезно упростить:
Полностью исключить систему меню, убрать функцию хранения в памяти результатов измерений, использовать любой подходящий знакосинтезирующий ЖКИ с отображением единственного значения последнего сделанного измерения. Желательно сохранить возможность работы в ручном или автоматическом режимах (интервал между измерениями 2-3 с, переключение режимов при помощи тумблера). Временные константы - те, которые "по умолчанию", с возможностью корректировки при перешивке контроллера.
Хотелось бы сказать несколько слов об использовании резонансного или нерезонансного метода включения датчика. И тот, и другой метод имеет свои плюсы и минусы. При нерезонансном включении мы имеем широкую полосу пропускания (т. е. большой диапазон измеряемых значений напряженности магнитного поля), но более низкий уровень сигнала на входе усилителя). При резонансном же включении наоборот - уровень сигнала выше, но диапазон определяется добротностью LC контура, состоящего из датчика и C рез . Практически при использовании резонансного метода датчик может иметь меньшие габариты и вес, но для обеспечения широкого рабочего диапазона потребуются несколько переключаемых резонансных емкостей. При использовании микроконтроллера можно, например, сделать следующим образом: после поляризации и подавления переходного процесса в датчике к нему поочереди подключаются на короткое время несколько (до десятка) конденсаторов разной, заранее рассчитанной из условия перекрывания всего необходимого диапазона частот, емкости. Для каждой подключенной емкости микроконтроллер делает измерение уровня сигнала на выходе усилителя, запоминает, при подключении какой емкости это уровень был максимальным, а затем делает "основное" измерение частоты при использовании этой емкости.
Основные вопросы, работы магнитометра, рассмотрены. Буду, признателен за уточнения и исправление неточностей, если таковые допустил.
0 коментара:
Публикуване на коментар