Placa de achizitie PC-LPM-16

Placa de achizitie PC-LPM-16

1. Caracteristici tehnice

Face parte din categoria placilor de achizitie care nu au canale de iesire analogice si este produsa de National Instruments. Principalele caracteristici ale acestei placi sunt:

16 canale de intare analogice la care se pot aplica tensiuni analogice in domeniile 2,5V, 5V, 0 10V sau 0 5V selectabile prin intermediul unor jumpere de pe placa

frecventa maxima de esantionare pe canalele analogice 50kHz

8 canale de intrare digitale care pot suporta semnale compatibile TTL prin care se poate testa starea unor dispozitive locice (comutatoare, intrerupatoare, etc.)

8 canale de iesire digitala pe care se pot furniza semnale compatibile TTL si prin care se pot comanda dispozitive externe;

3 contoare pe 16 biti care suporta semnale compatibile TTL dintre care unul are un semnal de baza de timp de 1 MHz furnizata din placa.

Tensiuni de alimentare furnizate de la PC:

o      

+5Vc.c. (130mA)

o       +12Vc.c. (30mA)   

Conectare prin cablu flexibil cu 50 de pini

Conditii de mediu pentru operare:

o       Temperatura componentelor 0.70⁰C

o       Umiditate relativa 5.90% fara condens

o      

Conectarea placii

In figura 1 este prezentata dispunerea componentelor pe placa, iar in figura 2 este prezentat modul de dispunere al pinilor conectorului extern si semnalele specifice fiecarui pin.

Semnalele conectate pe conectorul de intrare iesire (I/O) au urmatoarea semnificatie:

AIGND masa analogica;

ACH<0..15> canale de intrare analogice de la 0 la 15;

DGND masa digitala;

-12V tensiune de iesire +12V maxim 5mA;

+12V tensiune de alimentare de +12V de la PC. Aceasta linie are inseriata o siguranta fuzibila de 0,5A;

DIN<0..7> linii de intrare digitale. DIN 7 reprezinta bitul cel mai semnaificativ ;

DOUT<0..7> linii de iesiri digitale. DOUT7 reprezinta bitul cel mai semnificativ ;

OUT1* semnalul de iesire al contorului 1 inversat;

EXTINT* semnal intrare intrerupere externa;

EXTCONV* intrare semnal extern de control pentru declansarea conversiei analog numerice

OUT0 iesirea contorului COUNTER0

GATE0 intrare de validare a contorului 0;

OUT1    iesirea contorului COUNTER1;

GATE1 intrare de validare a contorului 1;

CLK1 intrare de contorizare pentru COUNTER1;

OUT2 iesirea contorului COUNTER2;

GATE2 intrare de validare a contorului 2;

CLK2 intrare de contorizare pentru COUNTER2;

+5V tensiune de alimentare de la PC are conectata in serie o siguranta de 1A;

DGND masa digitala

Observatie: Semnalele notate cu * sunt active jos.

2.1. Conectarea semnalelor de intrare analogica

In figura 3 este prezentat modul in care trebuie conectata o sursa de semnal la placa PC-LPM-16. Se va acorda atentie conectarii corecte a polaritatii in scopul evitarii scurcircuitarii iesirii sursei.

2.2. Conectarea semnalelor digitale de intrare-iesire

Pinii de la 22 la 37 ai conectorului de intrare-iesire sunt pini destinati conectarii semnalelor digitale de intrare/iesire. Pinii 22÷29 sunt destinati intrarilor iar pinii 29÷37 sunt destinati iesirilor. Pinii 19 si 50 sunt pini de masa digitala.

Tensiunea maxima ce poate fi aplicata la intrarile digitale este de +7V iar cea minima de -0,5V.

Semnalele de intrare digitale vor fi compatibile TTL, curentul absorbit fiind de 1mA. Semnalele de iesire analogice sunt de asemenea compatibile TTL, valorile caracteristice de curent si tensiune fiind:

8mA la V_OH=2,7V

6mA la V_OL=0,5V

In figura 10.4 este prezentat modul de conectare a semnalelor digitale la portul de intrari digitale si modul de conectare a semnalelor de iesire analogice la portul de iesiri digitale.

Intrarile pot primi semnale compatibile TTL sau pot sesiza actionarea unor comutatoare, in timp ce iesirile pot comanda dispozitive externe (de exemplu un LED) asa cum se observa in figura 4.

Conectarea alimentarii

Pe pinul 49 al conectorul de intrare iesire este conectata sursa de +5V iar pe pinul 20 sursa de +12V de la PC. Sursa de +5V si +12V sunt protejate de sigurante fuzibile de 1A si respectiv 0,5A.

2.3. Conectarea semnalelor de temporizare sincronizare contorizare

Pinii 38÷48 ai conectorului de intrare-iesire sunt destinati conectarii semnalelor de timp; acestea sunt dedicate celor trei circuite de contorizare MSM82C53 montate pe placa. Unul din aceste circuite (Counter 0) este destinat pentru sincronizarea achizitiilor de date.

Contorul 0 este utilizat pentru controlul intervalelor de esantionare in timp a conversiei analog numerice. De asemenea semnalul EXTCONV* pentru conversii externe de timp. In figura 5 sunt prezentate cerintele de timp pentru intrarea EXTCONV*. O conversie analog numerica este initiata pe frontul crescator al semnalului EXTCONV*. Datele acestei conversii sunt depuse intr-o memorie FIFO in timp de 20ms. Semnalul EXTCONV* este un semnal compatibil TTL.

Conexiuni generale de temporizare contorizare

Semnalele de temporizare includ semnalele GATE, CLK si AUT pentru cele trei contoare MSM 82C53, cu exceptia semnalului CLK al contorului 0 care nu este disponibil pe conectorul de intrare iesire. Contoarele MSM 82C53 pot fi utilizate pentru aplicatii diverse precum: generare de pulsuri si semnale dreptunghiulare, contorizare de evenimente, masurarea duratei impulsurilor, masurarea frecventei, etc. Pentru aceste aplicatii se realizeaza programarea contoarelor in diferite moduri prin intermediul semnalelor GATE si CLK. Singura exceptie este contorul 0 care are un semnal de ceas intern la 1MHz. Generarea semnalelor de tip impuls si dreptunghiulare se realizeaza prin programarea corespunzatoare a contoarelor, semnalul fiind furnizat la pinul OUT corespunzator contorului respectiv.

Contorizarea evenimentelor prin programarea corespunzatoare a contoarelor astfel incat acestea sa contorizeze fronturile crescatoare sau descrescatoare a evenimentelor. Valoarea contorizata poate fi citita pentru a determina numarul fronturilor sesizate. Activarea sau dezactivarea contorului se poate realiza prin intermediul semnalului GATE. In figura 6. sunt prezentate conexiunile tipice pentru operatii de contorizare a evenimentelor, semnalul GATE fiind comandat prin intermediul unui intrerupator care permite activarea sau dezactivarea contorului.

Masurarea duratei impulsurilor este realizata prin aplicarea pe intrare GATE a impulsului a carei durata se masoara (cu respectarea nivelurilor permise pentru acest semnal). Contorul este incarcat cu o valoare cunoscuta iar pe intrarea CLK se aplica un semnal de frecventa cunoscuta care decrementeaza contorul. Durata impulsului este egala cu diferenta dintre valoarea inscrisa in contor si cea citita in momentul in care impulsul se sfarseste (semnalul GATE trece in 0) multiplicata cu perioada semnalului CLK aplicat.

Masurarea frecventei se realizeaza prin programarea semnalului GATE in nivel si prin contorizarea numarului de fronturi descrescatoare a semnalului aplicat la intrarea CLK. Durata semnalului aplicat pe intrarea GATE este cunoscuta; in acest caz, contorul este programat sa contorizeze fronturile descrescatoare de pe intrare CLK cat timp semnalul GATE este aplicat. Frecventa semnalului aplicat la intrarea CLK va fi egala cu valoarea contorizata impartita prin perioada semnalului GATE. In figura 7 sunt prezentate conexiunile tipice pentru masurarea frecventei. In aceasta aplicatie, un al doilea contor poate fi utilizat pentru a genera semnalul GATE.

Semnalele GATE, CLK si AUT pentru contoarele 1 si 2 sunt accesibile la conectorul de intrare/iesire. In plus pinii GATE si CLK sunt legati la sursa de +5V prin intermediul unor rezistente de 4,7kW.

Figura 8 prezinta diagramele de semnal pentru semnalele de intrare GATE si CLK si pentru semnalul de iesire OUT precum si timpii specifici pentru un circuit MSM82C53.

Vom prezenta in continuare domeniile de tensiune ale semnalelor de intrare/iesire specifice circuitelor MSM 82C53:

Domeniul maxim de al tensiunii de intrare -0,5V la 7V

Tensiune de intrare pe nivel logic 1 (V_IH) minim 2,2V

Tensiune de intrare pe nivel logic 0 (V_IL) maxim 0,8V

Curent de intrare absorbit maxim mA

Tensiune de iesire pe nivel logic 1 (V_OH) minim 3,7V

Tensiune de intrare pe nivel logic 0 (V_OL) maxim 0,45V

Curent la iesire pe nivel 1 logic maxim 1mA

Curent la iesire pe nivel 0 logic maxim 4mA

Semnalele GATE si AUT sunt validate pe fronturile crescatoare ale semnalului CLK.

3. Operare

In figura 9 este prezentata schema bloc a placii PC-LPM-16

Principalele componente ale placii sunt:

Circuitele de interfata calculator (PC) canale de intrare/iesire;

Circuitele de intrare analogice

Circuitele de intrare/iesire digitale;

Circuitele de intrare/iesire de timp

3.1. Circuitele de interfata PC canale intrare/iesire

Aceste circuite sunt constituite dintr-o magistrala de adrese, o magistrala de date, linii de intreruperi si mai multe semnale de control cu circuitele aferente. Componenta circuitelor de interfata este prezentata in figura 10

Circuitele constau din memorii pentru adrese, decodoare de adrese, bufere, circuite pentru controlul interfatarii pentru canalele de intrare/iesire si temporizare si un circuit de control al intreruperilor.

Circuitele supravegheaza liniile de adrese SA5 la SA9 pentru a genera semnale de validare a placii si utilizeaza liniile SA0 la SA4 plus semnalele de timp pentru a genera semnalele de selectare a registrilor placii si semnalele de citire/scriere. Buferele controleaza directia transferului de date pe liniile de date bidirectionale tinandu-se cont daca transferul este de scriere sau citire.

Circuitele de control a intreruperilor dirijeaza orice intrerupere validata pentru a selecta o linie de cerere de intrerupere. Cu cererea de intrerupere care este un semnal de iesire tri-state, placa PC-LPM-16 poate imparti liniile de intrerupere cu alte dispozitive. Sunt disponibile sase linii de cerere de intrerupere: IRQ3 la IRQ7 si IRQ9. Placa PC-LPM-16 genereaza intreruperi in urmatoarele situatii:

Cand poate fi citita o conversie analog-numerica de la FIFO;

Cand este detectat un semnal activ pe nivel jos pe linia EXTINT*;

Cand este detectat un front crescator la iesirea contorului COUNTER 2.

Fiecare di aceste intreruperi este validata si stearsa individual.

3.2. Circuitele de intrare analogice si achizitie de date

Placa PC-LPM-16 are 16 canale de intrare analogice cu conversie analog numerica pe 12 biti. Utilizand circuitele de temporizare esantionare, placa PC-LPM-16 poate multiplica automat conversiile. In figura 11 este prezentata diagrama bloc a circuitelor de intrare analogice si achizitie de date.

Circuitele de intrare analogice

Circuitele de intrari analogice sunt formate dintr-un multiplexor de intrare, un jumper pentru selectarea amplificarii, si un convertor analog numeric pe 12 biti plus bit de semn cu aproximari succesive. Cei 12 biti plus 1(bitul de semn) sunt extinsi la 16 biti inainte de a fi stocati pe memorie FIFO.   

Multiplexorul de intrare este un multiplexor analogic CMOS si are 16 canale de intrare (notate de la 0 la 15). Utilizandu-se jumperele W1 si W2 de pe placa se pot selecta amplificari diferite si prin urmare urmatoarele domenii de intrare: 0 10V, 5V, 0 5V si V.

Atunci cand o conversie analogic numerica este completa este emis un semnal de la ceasul analog numeric spre memoria FIFO. Memoria FIFO este o memorie de 16 cuvinte a 16 biti. Aceasta memorie serveste ca memorie tampon pentru convertorul analog numeric pe 12 biti si are doua mari avantaje:

in primul rand, atunci cand o conversie analog numeric este incheiata, valoarea numerica este salvata pe memoria FIFO pentru o citire ulterioara, iar convertorul analog numeric este liber pentru a efectua o noua conversie;

un al doilea avantaj este acela ca memoria FIFO poate colecta 16 valori inainte de pierde vreo informatie, aceasta oferind software-ului un timp suplimentar (egal cu 16 perioade de esantionare) pentru a se cupla cu hardware-ul. Daca sunt stocate mai mult de 16 valori in memoria FIFO fara ca aceasta sa fie citita apare o conditie de eroare numit FIFO Overflow, iar valoarea conversiei analog numerice este pierduta.

Memoria FIFO a convertorului analog numeric genereaza un semnal atunci cand contine o data convertita numeric Starea acestui semnal poate fi citita din registri de stare ai placii.

Circuitele convertorului analog numeric includ circuite care fac posibile minimizarea erorilor de zero, de domeniu si de liniaritate. Conversia analog numeric debuteaza cu un ciclu de auto calibrare sub control software care asigura reducerea erorilor de offset si de amplificare.

Circuitele de timp aferente conversiei analog numerice

In operatiile de conversie analog numerica trebuie asigurate intervale de timp suficiente intre doua conversii succesive, intervale care sunt de fapt intervalele de esantionare. Pentru asigurarea acestor intervale sunt prevazute o serie de circuite de temporizare contorizare. Cu placa PC-LPM-16 se pot realiza doua tipuri de achizitii de date: achizitii pe un singur canal si achizitii pe mai multe canale (baleiata). In cazul achizitiilor multiple este utilizat un contor care asigura comutarea automata intre intrarile canalelor analogice in timpul achizitiei de date.

Circuitele de timp aferente achizitiei de date genereaza si controleaza semnale care initiaza achizitia de date si semnalizeaza diferite etape ale operatiei. Sursa principala a acestor semnale este pozitionata pe placa, unul dintre cele trei contoare MSM82C53 de pe placa fiind destinat special acestui scop.

O conversie analog numerica poate fi initiata de o tranzitie crescatoare a iesirii contorului COUNTER 0 (OUT0) de placa sau de o tranzitie crescatoare a intrarii EXTCONV*.

Temporizarea intervalelor de esantionare este asigurata de contorul cu decrementare pe 16 biti caruia ii sunt aplicate impulsuri de la ceasul de 1 MHz al placii, generandu-se intervale de esantionare incepand de la 2ms la maxim 65535ms. Atunci cand contorul ajunge la 0 se genereaza un impuls si se re incarca cu valoarea corespunzatoare intervalului de esantionare; procesul se repeta pana la o noua programare a contorului. Numai contorul 0 este necesar conversiei analog numerice. Atunci cand se face achizitia unui numar de esantioane, software-ul trebuie sa urmareasca numarul de treceri prin zero a valorii contorului si sa blocheze contorul 0 atunci cand numarul trecerilor prin zero este egal cu numarul de esantioane programate.

In cazul achizitiei pe un singur canal trebuie selectat canalul pe care se face achizitia prin intermediul pozitionarii corespunzatoare a bitului din registrul de comanda inainde de initierea achizitiei. In acest fel setarea multiplexorului ramane constanta de-a lungul intregului proces de achizitie si prin urmarea toate datele pentru conversia analog numerica sunt citite de pe un singur canal.

In cazul achizitiei pe mai multe canale se valideaza baleierea pe durata achizitiei de date. Baleierea pe mai multe canale este controlata de un contor de baleiere care este decrementat in timpul achizitiei datelor de la valoarea numarului de canale pe care se face achizitia (inscrisa de programator) pana la valoarea 0 si apoi se repeta secventa. In acest fel la intrarea convertorului poate fi aplicat oricare sin canalele selectate; este necesar insa ca pe toate canalele sa fie utilizat acelasi domeniu de intrare.

Viteza maxima de achizitie este determinata de mai multi factori. In cazul achizitiei pe un singur canal este determinata de durata conversiei la care se adauga timpii necesari transmisiei si retinerii. In cazul achizitiei de date pe mai multe canale, viteza de achizitie este limitata si de timpul de comutare al multiplexorului precum si de timpii de lucru ai amplificatorului.

Viteza maxima de esantionare recomandata atat pentru achizitia pe un singur canal cat si pentru cea pe mai multe canale este corespunzatoare unei frecvente de esantionare de 50kHz. In cazul domeniilor de intrare 0 10V se recomandata o rata maxima de esantionare de 45kHz.

3.3.Circuitele de intrare iesire digitale

Placa PC-LPM-16 are 16 linii de intrare iesire compatibile TTL. Pinii DIN<0..7> din conectorul de intrare iesire sunt destinati liniilor de intrare digitala iar pinii DOUT <0..7> sunt destinati liniilor digitale de iesire. Aceste linii sunt suprvegheate si controlate de Registrul de Intrari Digitale si respectiv de Registrul de Iesiri Digitale. Citirea valorilor liniilor de intrare DIN<0..7> se face din Registrul de Intrari Digitale, iar inscrierea Registrului de iesiri Digitale va determina starea liniilor de iesire DOUT <0..7>. Dispozitivele externe pot controla semnalul EXTINT* pentru a semnaliza starea gata de transfer de date. Schema bloc a circuitelor de intrari iesiri digitale este prezentata in figura 12

3.4. Circuitele de temporizare

PCL-LPM-16 are in compunere trei contoare MSM82C53 dintre care unul singur (COUNTER 0) poate fi utilizat intern pentru sincronizarea achizitiei de date. Toate cele trei contoare pot fi programate sa opereze in mai multe moduri de contorizare temporizare utilizand registrul de moduri al fiecarui contor.

COUNTER 0 utilizeaza un generator de ceas de 1MHz obtinut din oscilatorul de 4MHz al placii. Baza de timp pentru COUNTER1 si COUNTER2 trebuie furnizata extern la pinul 50 al conectorului de intrare iesire.

Fiecare contor are doua intrari - una de ceas (CLK) si una de validare (GATE) - si o iesire OUT.

4. Mod de lucru

Se vor identifica pinii modulului de conectare a placii PCL-LPM-16.

Se vor identifica pinii canalelor de intrare analogice.

Se vor identifica pinii canalelor de intrare iesire digitale

Se vor identifica pinii celor trei contori 8253 din componenta placii.

Se vor identifica pinii de alimentare