Комп'ютерна томографія

Зміст. Запровадження 1. Обгрунтування розробки 2. Аналіз технічного завдання й розробка структурної схеми 3. Вибір способу введення цифрового сигналу в комп’ютер 3.1 Особливості паралельного порту 3.2 Програмування порту 4. Розробка принципової схеми устрою 4.1. Вибір аналого-цифрового перетворювача 4.2 Обмеження рівня вхідного аналогового сигналу 4.3 Перетворення аналогового сигналу 4.4 Захист АЦП 4.5 Забезпечення джерела харчування та внутрішнього облаштування індикації 5. Розробка програмного забезпечення 5.1 Обмін даними з АЦП 5.2 Перетворення даних 5.3 Запуск і припинення керованої програми 5.5 Налаштування програми 5.6 Використання програми 6. Конструкторський розділ 6.1. Розрахунок надійності 6.2. Розробка конструкції 7. Рекомендації з організації робочого місця лікаря топометриста. 8. Економіка. Укладання. Додатка.

Литература

.

Нині в медичних дослідженнях широко використовуються комп’ютерні томографи. З їхньою допомогою можна було одержати поперечне комп’ютернотомографическое зображення. Це зображення має низку переваг, включаючи можливість його реконструкції у потрібній проекції, і навіть високу спроможність до передачі низкоконтрастных об'єктів, що при комп’ютерних томографів значно вища, ніж в інших методів побудови рентгенівського зображення. Недоліком комп’ютерних томографів був частиною їхнього дорожнеча. Проте, є можливість отримання реконструируемого зображення аналогічного компьютерно-томографическому з допомогою рентгенівського симулятора для планування променевої терапії, який має деякі подібності з томографом (які працюють навколо тіла пацієнта джерело і приймач рентгенівського випромінювання). Рентгенівські симулятори знаходять використання у лікувальних закладах, котрі займаються лікуванням онкозахворювань. Для використання симулятора як томографа необхідно під час обертання випромінювача і приймача (що є на протилежних сторони гантри) навколо об'єкта, безупинно записувати одержуване зображення пам’ять ЕОМ. Далі з її допомогою, шляхом застосування спеціальних алгоритмів можна було одержати зображення аналогічне тому, яке одержують з допомогою комп’ютерних томографів. Тут повстає завдання запуску і зупинки програмного забезпечення, захоплюючого видеопоследовательность під час досягнення гантри симулятора певних кутів повороту. Виконання цього завдання і є метою даної работы.

1. Обгрунтування разработки.

Рентгенівський стимулятор — це апарат визначення розміру й становища (орієнтації й видалення від випромінювача) області опромінення, і навіть маркірування цій галузі на тілі пацієнта у разі планування променевої терапії, проведеної далі на потужних апаратах з допомогою радиоизотопов і прискорювачів частинок. Стимулятор також засіб контролю змін вогнища захворювання на результаті опромінень. З даних цього контролю лікар приймають рішення про зміну параметрів опромінення при подальшому лечении.

Важливість створення застосування симуляторів обумовлена великий потужністю випромінювання при променевої терапії, і необхідністю дуже точно спрямовувати його потік на осередок захворювання задля досягнення максимального лікувального ефекту за мінімальної вплив на здорові тканини і органы.

Стимулятор за своїми електричним і радіаційним параметрами аналогічний діагностичним апаратам. Проте з конструкції і параметрами своїх штативных пристроїв він у відповідність до призначенням має велику подібність з установками для променевої терапии.

Усі симулятори побудовано за схемою. Потужний рентгенівський випромінювач і підсилювач рентгенівського зображення закріплені на протилежних кінцях П-образной дуги, яка може виконувати кругове рух щодо горизонтальній осі, закріплене у підлогової станині. [1].

Навпаки штатива випромінювача та внутрішнього облаштування реєстрації зображення (УРІ) встановлено стіл за плаваючою декою що знаходиться у проміжку між випромінювачем і УРІ. Завдяки повороту дуги, поступальним рухам деки столу" й поворотам станини столу пучок випромінювання то, можливо спрямований під довільним кутом до будь-якої точки тіла пацієнта, лежачого на столе.

Каретки, які мають у собі випромінювач і УРІ, можуть здійснювати незалежні поступательные руху на площині дуги перпендикулярно осі обертання останньої. При подібному поперечному переміщенні випромінювача змінюється фокусне відстань. Це переміщення дозволяє погоджувати установки симулятора з геометричними параметрами різних терапевтичних апаратів. Натомість, переміщення УРІ призводить до зміни формату зображення рентгеноскопії. Використовуючи рух УРІ при повороті Побразного плеча, можна підтримувати один і той ж відстань від УРІ до столу. При спільному русі випромінювача і УРІ змінюється масштаб изображения.

Випромінювач оснастили глибинної діафрагмою, маркером поля опромінення і світловим далекоміром. До складу маркера входять світловий проектор і молибденовые нитки, що утворюють координатну сітку, видиму в рентгенівському випромінюванні і проецируемую світловим проектором на тіло пацієнта. Рентгенівське і світлове зображення сітки збігаються у просторі. Переміщуючи шторки діафрагми з допомогою електродвигунів, можна встановлювати величину поля опромінення тіла пацієнта за величиною рентгенівського зображення вогнища захворювання. Углове становище поля була в залежність від орієнтації вогнища задають поворотом глибинної діафрагми і маркера щодо центрального луча.

Прямі і зворотні повороти несучою дуги і глибинної діафрагми з маркером, прямі і зворотні переміщення випромінювача, УРІ і шторок глибинної діафрагми задаються натисканням відповідних клавіш на пульті управління. Обраний рух припиняється після звільнення натиснутої клавіші. Після припинення руху на шкалах, розташованих на пульті управління, і навіть на П-образном плечі, корпусі діафрагми і опорі столу можна прочитати числові значення кутових, і лінійних координат, визначальних величину, становище поля опромінення і його віддаленість від излучателя.

У складі симуляторів використовують потужні автономні рентгенівські котрі живлять устрою. Вибір оптимального становища пацієнта щодо випромінювача, орієнтації й розмірів області випромінювання до наступного лікування здійснюється в час рентгеноскопії з допомогою УРІ і телевізійного екрана. Відповідне цих умов зображення з координатної сіткою фіксують на великоформатної рентгенівської плівці, що у автоматичної касеті під столом пацієнта. Після вимикання рентгенівського випромінювання включають світловий маркер і обводят олівцем спроецированные на тіло пацієнта лінії координатної сетки.

Отримані під час допомоги симулятора числові дані, рентгенограми і маркірування на тілі пацієнта є основою для точного планування променевої терапии.

Стимулятор SLS фірми Philips дозволяє точно визначати місце локалізації пухлини у тілі пацієнта. Цей стимулятор призначений для проведення радиографии, рентгеноскопії, телетерапии. Стимулятор включає в себе: стіл для пацієнта, гантри — П-образную дугу з закріпленими їхньому протилежних кінцях рентгенівському випромінювачі і приймальнику зображення, пульт управління, монітори для контролю над дослідженнями. Узагальнена схема основних вузлів симулятора SLS показано на рис 1.1. Як приймача рентгенівського зображення на симуляторе використовується рентгенівський електронно-оптичний перетворювач (РЭОП). Він представляє з себе электровакуумный прилад, у якому вхідний екран перетворює рентгенівське зображення у видиме з подальшим посиленням його яскравості электронно-оптической системою. У РЭОПе рентгенівський екран перебуває у оптичному контакту з фотокатодом всередині вакуумної колби. У ньому відбувається потрійне перетворення изображения:

[pic].

Рис. 1.1. Стимулятор SLS-9 фірми PHILIPS Володимирського обласного онкодиспансера.

1. рентгенівське зображення перетворюється на світлове вхідним люмінесцентним екраном, розміщеними у вакуумній колбі; 2. світлове зображення через тонку прозору перегородку переноситься на фотокатод, де вона перетворюється на електронне; 3. після прискорення в електричному полі, і електростатичної фокусування електродами 5 електрони утворюють сфокусована зменшене зображення у площині катодолюминесцентного екрана, де знову виникає світлове зображення. Далі зображення фіксується відеокамерою і видається на монітор. Як відомо, з допомогою комп’ютерної томографії (КТ) можна вичленувати пласке перетин тіла; у своїй рентгенівське випромінювання проходить крізь це перетин лише тих напрямках, що лежать усередині нього і рівнобіжні цьому перерізу. Ніяка частина тіла, розташована поза даного перерізу, не взаємодіє зі рентгенівським пучком, і тим самим знімається проблема, характерна звичайній рентгенографії, проблема накладення паразитних зображень від різних глибин. [2].

Рентгенівське зображення, одержуване з допомогою комп’ютерної томографії, являє собою зображення деякого зрізу (завтовшки зазвичай, у кілька миллиметров).

Комп’ютерні томографи створюють цифрове зображення шляхом виміру інтенсивності рентгенівських променів, минулих через тіло під час обертання рентгенівської трубки навколо пацієнта. Коефіцієнт поглинання веерного пучка рентгенівських променів в об'єкті вимірюється з допомогою набору з кількох сотень за кілька тисяч рентгенівських детекторів (зазвичай твердокристаллических). Детектори збирають інформацію у кожному з проекцій, які потім оцифровується і аналізується комп’ютером. За підсумками даних комп’ютер реконструює поперечне комп’ютернотомографическое зображення. Це зображення має низку переваг, включаючи можливість його реконструкції у потрібній проекції, і навіть високу спроможність до передачі низкоконтрастных об'єктів, що при комп’ютерних томографів значно вища, ніж в інших методів побудови рентгенівського изображения.

Отримані з допомогою комп’ютерної томографії знімки відбивають анатомічну структуру об'єкта у цьому сечении з просторовим дозволом близько 1 мм дозволом за щільністю краще 1%.

Завдання відшукання розподілу фізичної величини (наприклад, коефіцієнта лінійного ослаблення) g (x) був у загальному вигляді вирішена І. Радоном в 1917 р. [pic] Рис. 1.2 До визначенню сенсу змінних, які у формулах (1.1) і (1.2). Пояснення в тексте.

Рис. 1.2 пояснює результати інверсії Радону в двовимірному разі. Нехай L — промінь, перетинав об'єкт, p. s — вимірюваний вздовж нього відстань, Про — початок системи координат, (— кут між базисної лінією ОМ, що у обраної площині, і перпендикуляром, опущеним з Про на L, р — найкоротший відстань від Про до L, n — орт, визначається тим самим кутом (. У цих позначеннях можна записать.

[pic] (1.1) де двомірний вектор r, який щодо ОМ на кут (, характеризує становище на площині тієї точки, у якій відшукується розподіл g по проекціям f (p, n). Як зазначено Радоном ,.

[pic] (1.2).

Нині розроблено велику кількість ефективних алгоритмів, дозволяють на швидкодіючих комп’ютерах отримувати томограммы по проекціям f (p, n) і реалізованих комерційні комп’ютерних томографах.

Відомі системи томографії чотирьох конструктивних різновидів, поколінь. Вони відрізняються одна від друга характером руху устрою «випромінювач — детектори» при скануванні, виглядом пучка випромінювання, типом і числом детекторів. Основна мета вдосконалення скануючих систем — зменшення часу дослідження та збільшення інформаційних параметрів. Принципи сканування в системах чотирьох поколінь показані на рис. 1.3.

У системах першого покоління (рис. 1.3 а) здійснюється швидке поступальний рух устрою «випромінювач — детектори» щодо об'єкту і потім — шаговое обертальне рух на 180° з кроком 1°. Об'єкт сканується одиночним коллимированным променем. Повний цикл сканування двох суміжних верств становить 3 — 5 хв. Томографи даної різновиду в час не выпускают.

У системах другого покоління (рис. 1.3 б) пристрій «излучатекь — детектори» робить самі руху. Проте задля прискорення дослідження сканування здійснюється розбіжним пучком, які перебувають загалом з п’ятнадцяти коллимированных променів. Обертальне рух складає 180° з кроком 10—15°. Цикл сканування становить 20 — 40 з. У цьому принципі побудовано більшість нейродиагностических томографів. [pic].

Рис. 1.3. Принципи сканування в томографічних системах четырех.

поколений.

Недоліки систем у перших двох поколінь: 1) значна тривалість сканування, яка є причиною виникнення динамічних спотворень для дослідження рухомих органів тіла; 2) наявність похибок, що з двома видами руху сканирующего пристрої і зростаючих при експлуатації аппаратуры.

У системах третього покоління (рис. 1.3 в) сканування об'єкта здійснюється пучком веерообразной форми, повністю перекрывающим об'єкт, внаслідок виключається поперечне поступальний рух устрою «випромінювач — детектори», яке вершить лише безупинне обертання навколо об'єкта на 180°. Випромінювач працює у імпульсному режимі, а випромінювання за об'єктом вимірюється великою кількістю (250—500) малоинерционных детекторів. Тривалість імпульсів 1 — 5 мс, цикл сканування одного шару вбирається у 5 с.

Системи четвертого покоління (рис. 1.3 р) від систем третього використанням ще більшої кількості (500—1000) нерухомих детекторів, розставлених навкруг, і безперервного випромінювання, також повністю куди входять об'єкт. Тривалість циклу сканування зменшується до 2,5 с.

У системах у перших двох поколінь велике час сканування прагнуть використовуватиме машинної обробки інформації. Для цього він застосовуються методи відновлення зображень, дозволяють починати обчислення відразу ж потрапляє після вступу масиву чисел, які стосуються даному становищу сканирующего устройства.

У системах третього і четвертого поколінь, мають мале час сканування, На оновлення зображення витрачається додаткове час (від кількох основних секунд до $ 1,5— 2 мин).

До основною вадою комп’ютерних томографів можна віднести їх не дорожнечу. Проте, є можливість отримання реконструируемого зображення, аналогічного комп’ютерної томограмме, з допомогою рентгенівського симулятора SLS-9, покликаного забезпечити планування променевої терапії, який має й певні подібності з томографом (які працюють спільною для маятник — гантри навколо тіла пацієнта джерело і приймач рентгенівського випромінювання). Тобто. у принципі є можливість використовувати наприклад дешевий і поширений стимулятор як томографа. Необхідно лише запам’ятати ряд зображень, одержуваних при скануванні об'єкта обертовими навколо неї джерелом і приймачем рентгенівського зображення. Таку можливість йому справді є. Рентгенівське зображення, пройшовши крізь пацієнта, перетворюється на відеосигнал і безупинно відображається через монітор. Потім із допомогою персонального комп’ютера та встановленої у ньому відео платі відеосигнал захоплюється, і з деякими параметрами (такі як частота кадрів) записується в память.

Рентгенівські симулятори знаходять використання у лікувальних закладах онкологічного профілю. Для використання симулятора як томографа необхідно під час обертання випромінювача і приймача (підсилювача рентгенівського зображення) навколо об'єкта, безупинно записувати отримуваний відеоряд зображень в ТБформаті на згадку про ЕОМ. Далі, шляхом застосування спеціальних алгоритмів можна отримати роботу томограммы, аналогічні тим, яке одержують з допомогою звичайних комп’ютерних томографов.

До вад подібного методу можна віднести такі: — низька швидкість руху гантри (час проходу 180(становить 20 з); - мала кутова апертура рентгенівського пучка (близько 20(), що потребує застосування спеціально розробленої методики многоцентровой зйомки чи обмеження області застосування патологіями голови і шиї; - відсутність програмно — апаратних коштів управління запуском і зупинкою зйомки з допомогою плати видеоввода.

Як очевидно з наведених даних, реалізація режиму комп’ютерної томографії на симуляторе дозволяє їм отримати апарат, аналогічний томографам другого поколения.

Якщо два проблеми годі розв’язати простими засобами, то третю — синхронізацію зйомки — можна. Виконання цього завдання і мета даної работы.

Рентгенівський стимулятор — це апарат визначення розміру й становища (орієнтації й видалення від випромінювача) області патології, і навіть маркірування цій галузі на тілі пацієнта у разі планування променевої терапії, проведеної далі на потужних апаратах з допомогою радиоизотопов і прискорювачів частинок. Стимулятор є також засобом контролю змін вогнища захворювання на результаті опромінень. З даних цього контролю лікар приймають рішення про зміну параметрів опромінення при подальшому лечении.

Рентгенівське випромінювання, пройшовши крізь пацієнта, перетвориться з допомогою підсилювача рентгенівського зображення на відеосигнал і безупинно відображається через монітор. Потім із допомогою самого персонального комп’ютера і встановленої у ньому плати видеобластера відеосигнал захоплюється, і з певними параметрами (такі як частота і формат кадрів) записується на згадку про. Після цього записане зображення перетвориться спеціальними алгоритмам щоб одержати томограмм.

Проте, у цій системі є існує недолік. Стимулятор спочатку не призначений до роботи на режимі комп’ютерним томографом, а програмне забезпечення видеобластера не призначено для взаємодії з симулятором. Через це оператору доводиться вручну активізувати і зупиняти програму захоплення видеопоследовательности, коли гантри симулятора сягає певного кута. Це спричиняє помітної похибки відпрацювання стартового і стопового кута (порядку 10 — 15 (), що негативно б'є по ролі одержуваних томограмм.

Завданням даного дипломного проекту є розробка програмноапаратного комплексу для відстежування становища гантри симулятора і активізації і зупинки програми, захоплюючої видеопоследовательность, під час досягнення певних кутів. Причому слід передбачити можливість зміни кутів початку й кінця захоплення видеопоследовательности.

2. Аналіз технічного завдання й розробка структурної схемы.

Є кілька варіантів реалізації необхідного устрою. Наприклад можна завдання відстежування становища гантрии покласти апаратне забезпечення. Але за такого варіанті стає важким побудова досить гнучкою системи, допускає варіації параметрів початку й кінця записи відеосигналу та інших параметрів, ще ця схема вийде надто складною і дорогий. Інший шлях полягає у покладання обов’язків обробки сигналу на комп’ютер, а апаратне забезпечення має лише перетворити сигнал до форми, зручну від використання ЕОМ, тобто. в цифрову форму. Упустити можливості комп’ютера у цій ситуації в обробці інформації про стан гантри симулятора було б великою помилкою. По-перше комп’ютер вже для захоплення відеосигналу, тобто. немає потреби його купувати. По-друге здійснити цифрову обробку з допомогою ЕОМ набагато простіше й дешевше (за умови, що ЕОМ є) аніж за використанні схемних рішень. По-третє у разі до поєднання з комп’ютером т.к. з іншого активізувати програму для захоплення видеопоследовательности не представляється возможным.

Перетворення аналогового сигналу з датчика становища гантри (змінного резистора) у цифровій здійснюватиметься з допомогою аналогоцифрового перетворювача (АЦП). І тому сигнал, що надходить від датчика, спочатку потрібно перетворити на вид придатний використання аналогоцифровим перетворювачем. Після оцифровки сигналу з допомогою АЦП, сигнал вводять у комп’ютер, де відбувається його обробка. Управління аналогоцифровим перетворювачем здійснюється сигналами від компьютера.

Необхідними вузлами розроблюваної схеми мають бути перетворювач аналогового сигналу для підгонки неї під вимоги АЦП, і навіть обмежувач рівня задля унеможливлення перевищення дозволеного рівня сигналу на вході АЦП.

Крім цього потрібні передбачити схеми захисту АЦП (зазвичай мікросхеми АЦП вимагають певного порядку подачі сигналів на входы).

Як зазначено в технічному завданні, харчування устрою необхідно здійснювати джерела харчування симулятора, використовуючи напруги (15 У. Як показано нижче, в усіх компоненти можуть працювати від такої джерела, тож необхідно отримати необхідні котрі живлять напруги з существующих.

зважаючи на викладене слід наступна структурна схема апаратної частини розроблюваного устрою, представлена на рис 2.1.

Рис. 2.1 Структурна схема апаратної частини розроблюваного устройства.

3. Вибір способу введення цифрового сигналу в компьютер.

Є кілька способів передачі цифрового сигналу від зовнішнього влаштування у комп’ютер: через послідовний порт, через паралельний порт, через слот на материнської платі (ISA чи PCI інтерфейс), через GAME — порт. [3].

Послідовний порт призначений послідовного передачі у комп’ютер — у кожний момент послідовний порт може приймати один біт інформації. Максимальна швидкість передачі становить 115 кБод. Доступ до послідовному порту COM1 здійснюється через порти 3F8- 3FF. Призначення портів таке: 3F8 — регістр даних, також управляє швидкістю передачі. 3F9 — старший байт командного регістру, управляє дозволом апаратних переривань 3FA — старший байт командного регістру, управляє апаратними перериваннями, формованими послідовним портом. 3FB — регістр управління лінією. 3FC — регістр управління модемом. 3FD — регістр статусу лінії. 3FE — регістр статусу модему. 3FF — регістр доступу до «Stretch Pad «Недоліками послідовного порту є: необхідність ініціалізації порту перед його використанням, установка оброблювачів апаратних переривань для синхронної роботи з зовнішнім пристроєм, складність організації інтерфейсу з зовнішнім пристроєм, що з послідовної передачею даних із певної скоростью.

Введення даних через слот на материнської платі є найбільш швидким. Проте застосування цього способу доцільне лише для пристроїв предъявляющих підвищені вимоги до швидкості передачі. Створення устрою, вставляемого в слот дуже важко, т.к. вимагає повної підтримки цим пристроєм інтерфейсів ISA і PCI. Крім того, попри підвищені можливості, зростає й складність програмного обеспечения.

Фундаментальна обізнаність із портом джойстика є найпростішим способом, але, природно має і менші можливості. Обмін даними з GAME — портом здійснюється через порт з адресою 201. Через молодші 4 біта даного порту здійснюється читання даних із зовнішнього устрою, 4 старших біта є тригери, які можна у одному з двох станів — «включен/выключен ». Очевидно, що можливості цього інтерфейсу вочевидь бракує на вирішення поставленої задачи.

Найприйнятнішим представляється організація обміну даними через паралельний порт (інтерфейс Centronics). Такий спосіб завдяки простоті поєднання і зручності програмування широко використовується для підключення до комп’ютера нестандартних зовнішніх пристроїв. Особливості паралельного порту описані ниже.

3.1. Особливості паралельного порта.

Основним гідністю інтерфейсу Centronics є його стандартність — вона є кожному комп’ютері і всіх комп’ютерах працює однакового (щоправда з різну швидкість). Для підключення зовнішнього устрою до рівнобіжному порту непотрібен відкривати системний блок комп’ютера, що багатьом користувачів може бути проблемою. Треба тільки дуже під'єднати кабель до розніманню з його задньої стенке.

Можна зазначити таке гідність паралельного порту, як простота його програмування будь-якому рівні. У багатьох мов програмування є процедури взаємодії принтером, які легко використовувати й для програмування нестандартного устрою. Однак і з погляду програмування паралельний порт є три програмно доступних регістру, бракує труднощів і написання програм нижнього рівня. Отже даний інтерфейс можна рекомендувати під час першого чергу для поєднання з комп’ютером щодо нескладних пристроїв без пред’явлення жорстких вимог щодо швидкості інформаційного обміну і довжині лінії связи.

Проте вибір розробником саме цього інтерфейсу для зв’язку свого устрою з комп’ютером може бути усвідомленим й уміти враховувати ряд ограничений.

По-перше, можливості реалізації різних протоколів інформаційного обміну з побудовою через паралельний порт невеликі. Справді небагато сигнальний ліній інтерфейсу і його програмування неможливо реалізувати обмін по прерываниям чи прямий доступом до пам’яті. Практично доводиться обмежуватися програмнокерованим обміном. З іншого боку, оскільки інтерфейс паралельного порту є программно-управляемым, швидкість інформаційного обміну неспроможна бути особливо великою і виявляється прямо пов’язаної з швидкодією комп’ютера. Тому втрачає сенс поєднання через паралельний порт пристроїв, потребують обробки передача інформацією реальному масштабі часу, як-от устрою введення зображення, звукові системи й т.п. З іншого боку, залежність швидкості інформаційного обміну від швидкодії комп’ютера робить практично нереализуемыми без спеціальних хитрощів швидкодіючі протоколи зв’язку. Ще однією особливістю інтерфейсу є з його разъеме шин харчування (є лише «земля »). Це означає, що сопрягаемое пристрій має використовувати зовнішній джерело харчування. Власне кажучи з погляду авторів, часом це не є недоліком інтерфейсу але його головною перевагою. Ні спокуси використовувати харчування від комп’ютера, що може спричинити до виходу його з строя.

У 99% комп’ютерів є лише одне паралельний порт якого повинен підключатися принтер. Але це обмеження часто вже не є істотним. По-перше, багато комп’ютери, зорієнтовані роботи з зовнішньої апаратурою чудово уникають принтера. По-друге, є маса і дешевих пристроїв (комутаторів) для підключення одного рівнобіжному порту два пристрої. Інтерфейс і, паралельний порт самого персонального комп’ютера орієнтовані підключення принтера. Це засвідчило і назва сигналів інтерфейсу — AUTO FD — автоматичний переклад папери, PE — кінець паперу тощо. Проте за розробці нестандартних пристроїв для підключення до рівнобіжному порту його сигнали можна використовувати довільно. Усі сигнали інтерфейсу можна розділити чотирма группы:

1 — восьмиразрядная шина даних для читання і запис (сигнали D0… D7);

2 — четырехразрядная шина самонаведення записи з комп’ютера (сигналиSTROBE, -AUTO FD, -INIT, і SLCT IN);

3 — пятиразрядная шина стану для читання в комп’ютер (сигналиASC, BUSY, PE, SLCT іERROR);

4 — шина «землі «.

Усі сигнали програмно доступні, що дозволяє реалізувати довільні протоколи інформаційного обміну у межах наявного їх набору і швидкодії компьютера.

Раніше, за комп’ютерами моделей до Pentium міг бути встановлений односпрямований паралельний інтерфейс. Тобто. шина даних була односпрямованої, що дозволяло використовувати його може лише виведення, для введення даних потрібно було використовувати сигнали з пятиразрядной шини стану. І тут розрядність інформаційного обміну читання обмежена п’ятьма лініями. У середовищі сучасних комп’ютерах встановлюється універсальний паралельний інтерфейс, тобто. у перших установках системи є опція дозволяє себе використовувати паралельний порт як і однонаправленном (режим сумісності), і у двунаправленном (розширеному) режимі. Це значно збільшує можливості паралельного порту. [4].

Паралельний порт має три адреси у просторі пристроїв введеннявиведення комп’ютера: BASE — регістр даних BASE+1 — регістр стану BASE+2 — регістр управління Тут «BASE «- перший адресу порту. У комп’ютері то, можливо близько трьох паралельних портів — LPT1… LPT3. Таблиця базових адрес портів перебуває у області даних BIOS, починаючи з осередки 408h: LPT1 — 0:408, LPT2 — 0:40A, LPT3 — 0:40C. Якщо порт не встановлено, то у відповідній осередку записано 0. BIOS підтримує до 3-х паралельних портів, визначених на етапі початкового тестування комп’ютера програмою POST (Power-ON-Self-Test). Номери портів і шестнадцатеричные адреси регістрів наведені у таблиці 3.1.

Табл. 3.1.

Адресація регістрів паралельних портов.

| Паралельний | Регістр | Регістр | Регістр | | |даних |стану |управління | |порт | | | | | 1 | 3BCh | 3BDh | 3BEh | | 2 | 378h | 379h | 37Ah | | 3 | 278h | 279h | 27Ah |.

При виявленні відповідного порту BIOS записує адресу його регістру даних, починаючи з адреси 0:408h, і привласнює йому ім'я LPTn (n може приймати значення від 1 до 3).

Власне кажучи, BIOS розуміє ще й ім'я LPT4, тобто. може працювати із чотирьохмя паралельними портами, проте, при цьому програміст повинна сама подбати у тому, щоб відповідний адресу регістру даних був записаний у певну для LPT4 область — за адресою 0:410h.

Розглянемо докладніше регістри паралельного порта.

Як було вказано вище, паралельний порт складається з трьох регістрів: регістр даних, регістр гніву й регістр управления.

Регістр даних паралельного порту є 8-місячного розрядний регістр, доступний читання і запис і призначено для запису і читання даних у байт. У режимі сумісності запис даних призводить до їхнього негайну передачу в лінію. Передача даних в двунаправленном режимі трохи складніше і управляється шляхом записи біта напрями у регістр управління. Тільки за записи (біт напрями дорівнює 0) байт передається в лінію, інакше запис значення регістр виробляється, але у лінію байт не передається. Операція читання регістру даних призводить до читання останнього записаного значення режимі сумісності і за передачу двунаправленном режимі. За виконання читання прийому (біт напрями дорівнює 1) в двунаправленном режимі з регістру зчитується значення лінії, т. е. прийнятого байта. Формат регістру наведено на рис 3.1.

| 7 | 6 | 5 | 4 | 3 | 2 | 1 | 0 | | D7 | D6 | D5 | D4 | D3 | D2 | D1 | D0 |.

Рис. 3.1 Формат регістру даних паралельного порта.

Біти D7-D0 визначають значення переданого чи зчитуваного байта інформації. Бітам регістру призначені відповідно рознімання від 9 до 2 в стандартному 25-ти штырьковом разъеме.

Цей регістр використовують як як сумісності, і у розширеному режиме.

У режимі сумісності запис в регістр деякого значення призводить до його негайну передачу в лінію. Операція зчитування з регістру наводить до зчитуванню останнього записаного значения.

Для двунаправленного паралельного порту розширеному режимі операція запис у регістр призводить до передачі значення лінію лише, тоді як регістрі управління біт DB=0, тобто. встановлено режим записи. У протилежному разі відбувається збереження записаного байта. Читання з регістру даних також управляється значенням біта DB в регістрі управління. Якщо DB=0 (встановлено режим записи), то зчитується останнє записане значення. Якщо DB=1 (режим читання), то зчитується значення з линии.

Регістр стану паралельного порту є 8-ти розрядний регістр, доступний лише з читання. Він служить щоб одержати інформації на роботу устрою. Считываемое з регістру значення дозволяє визначити рівень сигналу що на деяких лініях, керованих підключеним пристроєм. На рис. 3.2 наведено формат регістру. Стану й описані значення бітов регістру описані ниже.

| 7 | 6 | 5 | 4 | 3 | 2 | 1 | 0 | | BUSY | ASC | PE | SEL | ERR | IRQS | резерв |.

Рис. 3.2 Формат регістру стану паралельного порта.

BUSY визначає инвертированное стан лінії зайнято: 0 — пристрій зайнято; 1 — пристрій вільно; Сигнал «зайнято «може формуватися через помилку, соціальній та тому випадку, коли принтер відключений чи отсутствует.

ASC показує инвертированное стан готовності до прийому чергового байта: 0 — пристрій готова до прийому; 1 — пристрій не готова до приему;

PE показує поточний сигнал від принтера про стан папери. Биток встановлюється один, коли принтер виробляє сигнал кінець папери (Paper End).

SEL вказує поточний стан сигналу вибірка (Select) і встановлюється один, коли пристрій було выбрана.

ERR задає инвертированное стан помилки у устрої. Биток встановлюється в 0 під час вироблення принтером сигналу ошибки (Error).

IQRS приймає значення 0, коли пристрій підтвердило прийом попереднього байта інформації сигналом підтвердження (ASCnowlege). Значення даного біта має сенс тільки для двунаправленного паралельного порту. Режим підтвердження пристроєм прийому символу і формування переривання управляється битому IRQE управляючого порту. Зазвичай, переривання від устройства.

LPT1 надходить на IRQ5, як від LPT2 — на IRQ7.

Регістр управління паралельного порту є 8-місячного розрядний регістр, доступний читання і запис і використовується для завдання режимів роботи контролера паралельного порту, і навіть передачі в лінію низки управляючих сигналів для устрою Контролер може виробляти переривання для процесора і при отриманні від устрою підтвердження про зарахування символу. Таку можливість йому управляється 4 битому регістру управління. Докладніше регістри контролера описані далі Формат регістру управління описується нижче (рис. 3.3).

| 7 | 6 | 5 | 4 | 3 | 2 | 1 | 0 | | резерв | DIR | IRQE | SELIN | INIT | AFD | STRB |.

Рис. 3.3 Формат регістру управління паралельного порта.

DIR використовується для завдання типу операції під час роботи в розширеному режимі (чи передачі): 0 — операція записи; 1 — операція читання. Цей біт має сенс тільки для двунаправленного паралельного порта.

RQE управляє перериванням. Коли біт дорівнює 1, паралельний порт посилає переривання під час вироблення сигналу ASC із боку устройства.

SELIN управляє станом сигналу вибірки устрою (Select In). Коли біт встановлено у 1, пристрій вважається обраним. Даним лінії відповідає розняття 17.

INIT управляє инвертированным станом сигналу ініціалізації устрою (Init). У цьому установка нульового значення біта означає ініціалізацію принтера.

AFD управляє станом сигналу автоматичний прогін строки (Automatic Feed XT). Коли біт встановлено у 1, принтер після друку кожного рядка буде автоматично переходити нові строку.

STRB управляє синхронної передачею даних в пристрій. Коли він приймає значення 1, передані дані можуть зчитуватися з ліній данных.

3.2 Програмування паралельного порта.

Програмування підключеної до рівнобіжному порту апаратури залежить від установці певних бітов в регістрах даних, і управління і читанні певних бітов з регістру стану. У цьому якщо з регістром даних проблем я не виникає (це звичайне байтовый регістр), то дві інші регістру мають деякі особливості По-перше, деякі біти є инверсными. При запис у регістр управління нуля у тих бітах встановлюються одиниці, і якщо на входах регістру стану встановлено нулі, їх цих бітов зчитуються одиниці. По-друге, якщо чотири біта регістру управління перебувають у молодших бітах байта (біти 0 — 3), то п’ять бітов регістру стану — в старших (біти 3 — 7). Повна інформація про відображенні сигналів шин управління і стан інтерфейсу Centronics на регістри паралельного порту комп’ютера приведено в табл. 3.2.

Табл. 3.2.

Відображення сигналів шин управління і стан інтерфейсу Centronics на регістри паралельного порту компьютера.

| Ш І М, А | З І Р М, А Л | Б І Т |І М У Є Р З І Я | | | -STROBE | 0 | інверсний | |Управління | | | | | | -AUTO FD | 1 | інверсний | | | -INIT | 2 | прямий | | | -SLCT IN | 3 | інверсний | | | -ERROR | 3 | прямий | | | | | | |Стан | | | | | | SLCT | 4 | прямий | | | PE | 5 | прямий | | | -ASK | 6 | прямий | | | -BUSY | 7 | інверсний |.

Програмне переривання 17h надає деякі спроби з роботі з паралельним портом принтера. Проте цих можливостей замало повноцінного програмування підключених до цього порту зовнішніх пристроїв. З іншого боку використання переривання істотно уповільнює роботу програми, тому рекомендується безпосередньо зчитувати дані про відповідному адресою. Справді корисною виявляється функція N1 — ініціалізація порта (вход: AH=1,DX-номер порта (0,1 чи 2); вихід: AH-статус порту). Річ у тому, що цей процедуру слід виконувати по закінченні роботи з принтером. Тому рекомендується викликати функцію N1 переривання 17h при виході з программы.

Слід зазначити, що, починаючи з BIOS для IBM PC/AT, випущеного в березні 1986 року, зчитування значення з регістру стану паралельного порту виробляється двічі, що пов’язана з тим, зміна стану BUSY має розтягнутий фронт.

Двунаправленный порт зазвичай використовують у режимі сумісності - саме такий режим встановлюється спочатку і під час програми POST. Проте, програміст може використовувати розширений режим роботи порту для підключення нестандартній апаратури. І тут за комп’ютерами PS/2 вибір розширеного режиму роботи паралельного порту виробляється при конфігурації апаратури комп’ютера шляхом записи нульового значення біт 7 порту 0102h. За інших комп’ютерах двунаправленный режим контролера паралельного порту може вити обраний і під час програми початковій конфігурації BIOS.

Усі сигнали інтерфейсу Centronics передаються в рівнях ТТЛ і розраховані на підключення одного стандартного входу ТТЛ.

4. Розробка принципової схеми устройства.

З розробленої структурної схеми, варто виокремити такі частини проектованої схемы.

Аналого-цифровий перетворювач повинен перетворювати аналоговий сигнал, пропорційний розі повороту гантрии симулятора у цифровій код для подальшого опрацювання з допомогою ЭВМ.

Перетворювач аналогового сигналу підганяє його під вимоги АЦП, тобто., як буде показано нижче, здійснює його ослаблення, і навіть служить буфером.

Двосторонній обмежувач рівня необхідний обмеження рівня вхідного аналогового сигналу, запобігання виходу АЦП з експлуатації при повороті гантри понад припустимого диапазона.

Слід також забезпечити захист АЦП, задля унеможливлення подачі на нього сигналів при виключених що живлять напряжениях.

Джерело харчування повинен для забезпечення функціонування які входять у схему пристроїв. Для спрощення схем харчування передбачається вибирати від використання елементи з вимогами до відчуває напряжениям.

З метою інформування про включеному стані устрою, необхідно передбачити якесь пристрій индикации.

4.1 Вибір аналого-цифрового преобразователя.

Для перетворення аналогового сигналу від датчика становища гантрии в цифрову форму, для подальшого опрацювання з допомогою ЕОМ необхідно використання АЦП.

У АЦП вхідним сигналом є напруга, а вихідним — відповідний цьому напрузі цифровий код, що утворюється в результаті квантування вхідного напруги за рівнями. Принцип роботи АЦП залежить від методу перетворення. По алгоритму перетворення основні методи перетворення, використовувані в мікросхемах АЦП, поділяються на методи: послідовного рахунки, поразрядного врівноважування (послідовного рахунки) і паралельного дії (зчитування). [5].

Критерієм вибору АЦП є її параметри: число розрядів, швидкодія, точність, стоимость.

Кількість розрядів вихідного коду визначає кількість різних рівнів квантування вхідного сигналу. Для n-разрядного двоичного коду це кількість одно 2n.

Роздільна здатність визначається мінімальним вхідним напругою, відповідним зміни вихідного коду на одиницю молодшого розряду. Вона характеризує поріг чутливості коли відбувається зміна вихідного кода.

Нелінійний ([pic] (рис. 4.1) показує максимальне відхилення реальної передавальної характеристики від ідеальної; виявляється у відсотках чи частках молодшого розряду (МР).

([pic].

([pic].

Рис. 4.1 Нелінійний й абсолютна нелінійний преобразования.

Диференційна нелінійний — це відхилення двох вхідних сигналів, відповідних сусіднім вихідним кодам від значення МР. Виражається диференційна нелінійний й у відсотках чи частках МР.

Абсолютна похибка перетворення ([pic] в кінцевої точки шкали — це відхилення напруги від номінального значення, відповідного кінцевій точці характеристики перетворення. Ця похибка залежить від кроку квантування (методична похибка) і інструментальних похибок, внесених вузлами АЦП.

Найбільш быстродействующими є АЦП паралельного дії, але вони також найскладніші і найдорожчі. АЦП послідовного рахунки мають дуже низька швидкодія. Широко поширені АЦП послідовного наближення мають середнім быстродействием.

З специфіки завдання, її виконання підійдуть функціонально завершені АЦП, придатні безпосереднього поєднання з ЕОМ. Такі АЦП вимагають мінімального кількості допоміжних елементів, мають вбудовані джерела опорного напруги, генератори тактових імпульсів буферні регістри із трьома станами. Важливим вимогою є робота АЦП з ТТЛ рівнями для безпосереднього під'єднання до рівнобіжному порту ЭВМ.

Визначимо необхідну розрядність АЦП. Задля більшої точності менш одного градуси число розрядів n має быть:

n > log[pic]360.

Т.е. n має перевищувати або дорівнює 9.

Зазначеним вимогам задовольняє 10 — розрядний функціонально повний АЦП послідовного наближення К1113ПВ1, виконаний за КМДП — технологии.

Функціональна електрична схема АЦП К1113ПВ1 показано на рис. 4.2.

Рис. 4.2 Функціональна електрична схема АЦП К1113ПВ1.

Мікросхема К1113ПВ1 виконує функцію 10-разрядного аналого-цифрового перетворення однополярного чи біполярного вхідного сигналу з поданням результатів перетворення на паралельному двоичном коді. Вона містить все функціональні вузли АЦП послідовного наближення, включаючи КН, ЦАП, РПК, ІОН, ГТИ, вихідний буферний регістр із трьома станами, схеми управління. [6] Для її експлуатації придатні лише два джерела харчування і регулювальні резисторы. Вихідні каскади із трьома станами дозволяють зчитувати результат перетворення безпосередньо на шину даних МП. Кілька АЦП можуть обслуговувати один МП, і навпаки. По рівням вхідних і вихідних логічних сигналів АЦП пов’язане з цифровими ТТЛ ІВ. Класифікація БІС за групами А, Б, У проходить за значенням параметрів нелінійності і диференціальної нелинейности.

Мікросхеми К1113ПВ1 виготовляються по біполярної технології, модифікованої для сполученого формування на кристалі біполярних транзисторів, і навіть елементів инжекционной логіки й тонкоплівкових прецизійних резисторів. Технологія дозволяє в однієї БІС велика кількість цифрових елементів і аналогові вузли з великим рівнем параметрів. У процесі виробництва здійснюється настроювання АЦП до необхідних значень електричних параметрів шляхом підгонки опорів тонкоплівкових резисторів лазерним лучом.

Мікросхеми К1113ПВ1 випускаються в 18-выводном герметичному металлокерамическом корпусі типу 238.18−1 з вертикальним розташуванням выводов.

Нумерація і місцезнаходження висновків мікросхеми: 1−9 — цифрові виходи 9−1; 10 — напруга джерела харчування (+5 У); 11 — гасіння і перетворення; 12 — напруга джерела харчування (-15 У); 13 — аналоговий вхід; 14 — загальний (аналогова земля); 15 — управління зрушенням нуля; 16 — загальний (цифрова земля); 17 — готовність даних; 18 — цифровий вихід 10 (молодший разряд);

Основні електричні параметри мікросхеми К1113ПВ1А представлені у табл. 4.1.

Табл. 4.1.

Основні електричні параметри АЦП К1113ПВ1.

|Параметр |Так само |Не більш | |Кількість розрядів n |10 |- | |Нелінійний ([pic], % |- 0,1 |0,1 | |Диференційна нелінійний ([pic], % |- 0,1 |0,1 | |Абсолютна похибка перетворення на кінцевої| | | |точці шкали |- 20 |20 | |Напруга усунення нуля на вході, мВ |- 30 |30 | |Час перетворення t, мкс |- |30 | |Напруга харчування U1, У |4,5 |5,5 | |Напруга харчування U2, У |-16,5 |-13,5 | |Струм споживання I1 |- |10 | |Струм споживання I2 |- |20 | |Вхідний опір, кОм |10 |- | |Діапазон униполярного вхідного напруги, У |- |10,24 | |Діапазон біполярного вхідного напруги, У |-5,12 |5,12 |.

Табл. 4.1 Продолжение.

|Предельно дозволене значення униполярного | | | |вхідного напруги, У |0 |10,5 | |Гранично допустимі значення біполярного | | | |вхідного напруги, У |-5,5 |5,5 |.

Номінальні значення напруг джерел харчування: U1=5 У [pic]5% і U2=-15 У [pic]5%. Діапазони їх граничних змін становлять U1=(4,5 — 5,5) У, U2=-(16,5 — 13,5) В.

У БІС К1113ПВ1 вихідний струм ЦАП порівнюється зі струмом, протекающим через вхідний резистор джерела сигналу. Тим самим було формується логічний сигнал управління РПК. Стабілізація розрядних струмів ЦАП здійснюється вбудованим ІОН з урахуванням стабилитрона з прихованою структурой.

Включення АЦП як роботи з униполярным вхідним напругою передбачає під'єднання виведення 15 до цифрового землі (висновок 16). У цьому не вдома вмонтованого ЦАП задається струм, рівний току СВ, але протилежної полярності. Працюючи АЦП з біполярним вхідним напругою електричні сигнали виведення 15 не подаются.

Тактирование РПК забезпечується імпульсами вбудованого ГТИ із частотою прямування 300−400 кГц. Установка РПК у початковий стан і запуск їх у режим перетворення здійснюються за зовнішньому сигналу «Гасіння і перетворення ». Після закінчення перетворення АЦП виробляє сигнал готовність даних «й інформація з РПК надходить на цифрові виходи через каскади із трьома станами. Тимчасові діаграми роботи АЦП наведено на рис. 4.3.

[pic].

Рис. 4.3 Тимчасові діаграми роботи АЦП К1113ПВ1.

Напруга від джерел харчування і вхідних сигналів подаються на БІС АЦП К1113ПВ1 у наступному послідовності: потенціал землі, напруги харчування, напруги на входи управління, вхідний напруга. Порядок зняття напруг зворотний. Допускається одночасна їх подача і снятие.

ІВ К1113ПВ1А використовує два що живлять напруги +5 У і -15 У. У розроблюваної схемою використовуються напруги, одержувані з джерела харчування симулятора: +15 і -15 У. Необхідна для харчування АЦП напруга +5 У виходить із допомогою інтегрального стабілізатора напруги К142ЕН5 В.

Відомо, що з обробці аналогових сигналів, змінюються з частотою, сумірної чи більшої, ніж швидкість роботи АЦП, з аналогового сигналу доводиться робити вибірки. [5] І тому деяке значення сигналу у визначені моменти запам’ятовується тимчасово, необхідне, щоб АЦП перетворив їх у двоїчний код. Цю функцію виконують устрою вибірки і збереження аналогового сигналу (УВХ). Це свого роду аналогові запам’ятовуючі пристрої. Зазвичай схеми УВХ у своїй основі мають інтегратор на операційному підсилювачі (ЗУ) з высокоомной навантаженням і малими струмами витоку, обладнаний ключовими схемами. Також УВХ випускаються як комплексних ИС.

Необхідно визначити й доцільність використання УВХ в разрабатываемом устрої. Вочевидь, що потреба у УВХ виникає, коли частота аналогового сигналу більше швидкості роботи АЦП. Якщо по час перетворення t аналогового сигналу у цифровій код, зміна першого буде набагато меншою роздільної здатності АЦП, потреба у УВХ відпадає. Гантри симулятора проходить повний оборот за 40 з. Розділивши 40 на 1024 одержимо час, відповідне зміни коду на одиницю: 40/1024=0,039 з, тобто. близько сорока мс. Час перетворення обраного АЦП становить 30 мкс, що як в 1000 разів менша. Отже застосування УВХ у цьому устрої невиправдане і аналоговий сигнал передбачається подавати безпосередньо на вхід АЦП після підгонки його передачі під рівень вхідного сигналу (динамічний діапазон) АЦП.

Визначимо точність перетворення з допомогою десятьох разрядного АЦП. Зміна вихідного коду на одиницю молодшого розряду станеться при повороті гантрии на кут (равный:

[pic].

Отже, що дозволяє здатність перетворювача, з розрядності АЦП, становитиме 0,35(.

Т.к. датчик становища гантри — потенціометр харчується двуполярным напругою ((10В), АЦП використовуватиметься в біполярному режимі. Напруга повної шкали регулюється резистором, підключеним до аналоговому входу. Схема включення АЦП показано на рис. 4.4.

Рис. 4.4 Схема включення АЦП К1113ПВ1.

Як очевидно з описи обраного АЦП щодо його зв’язки Польщі з комп’ютером знадобиться 13 ліній. 10 ліній безпосередньо повинні передавати цифрові даних про становищі гантрии. Вихід АЦП «Готовність «передає інформацію про готовності даних. На вхід «Гасіння і перетворення «передаватиметься інформацію про прийомі даних програмою. Вхід АЦП «Цифрова земля «підключається до землі компьютера.

Проблема нестачі розрядів регістру даних паралельного порту (8 розрядів замість необхідних 10) вирішується подачею двох молодших розрядів в регістр стану, а 8-місячного старших розрядів у регістр даних. Порядок підключення розрядів АЦП до регістру даних такий: старший розряд АЦП до старшого битку регістру даних. Дев’ятий і десятий розряди АЦП підключається відповідно до шостому і сьомому бітам регістру стану (вважаючи, що молодший біт — первый).

Вихідна лінія АЦП «Готовність «підключається до п’ятому битку регістру состояния.

На вхід АЦП «Гасіння і перетворення «сигнал подається з другого біта регістру управління. Цей біт є инверсным, тобто. під час запису до нього одиниці, на лінії з’являється ноль.

Земля схеми приєднується до землі комп’ютера також через розняття паралельного порта.

Вибір саме цих бітов паралельного порту обумовлений структурою самого порту, і навіть конструктивним і програмним зручністю їх использования.

Цоколевка паралельного порту і його контактів показано при застосуванні 1.

4.2 Обмеження рівня вхідного аналогового сигнала.

Кут повороту гантри можна побачити їхньому центральній частині. Там перебуває нерухома кругова шкала з отсчетами в градусах. Вигляд шкали показаний на рис. 4.5.

Рис. 4.5 Шкала кутів повороту симулятора SLS — 9.

При обертанні гантрии, мітка переміщуючись навколо шкали, дає інформацію про вугілля повороту. Датчик становища гантрии представляє з себе перемінний многооборотный резистор, що живиться від двуполярного напруги (10 У). Середня точка резистора, коли він напруга з його виході одно нулю, відповідає нулю градусів становища гантрии симулятора.

При обертанні гантрии убік 10 градусів відбувається пропорційне зменшення напруги по центральному виведення резистора, і до 180 градусів воно сягає -7,2 У. При обертанні у цю бік, можна досягнути граничного для обертання у цю бік кута 220 градусів при напрузі на резисторе -8,8 У. Якщо виробляти обертання від нуля убік 350 градусів, чи до 180 градусів напруга на датчику дорівнюватиме 7,2 У. Далі при граничному вугіллі 140 градусів напруга сягає 8,8 У. Тобто. при однакових кутках повороту гантрии датчик кута може видавати різних значень залежно від цього обертанням у який бік цей кут був достигнут.

Відповідно до завданням, обробку кута повороту гантрии необхідно проводити у її обертанні від 0 до 180 градусів у той обидва боки. Тому, з метою запобігти втрати точності, динамічний діапазон АЦП буде використовуватися у цьому діапазоні кутів. Тобто. рівень сигналу при повороті гантрии на 360 градусів відповідатиме зміни вихідного коду АЦП від 0 до 1023. Проте, немає гарантій, що ні станеться поворот гантрии на більший кут, наслідком стане перевищення рівня сигналу на вході АЦП із наступною можливістю виходу його з експлуатації. І тут необхідно передбачити захист входу АЦП від перевищення дозволеного рівня сигналу при випадковому повороті гантрии понад 180 градусів від нульового положения.

Як було вказано вище, рівень сигналу, відповідний повороту гантрии від 180 до 180 градусів має відповідати повної шкалою АЦП. При такому повороті гантрии сигнал змінюється від -7,2 У до 7,2 У. Повна ж шкала АЦП відповідає діапазону -5,12 … +5,12 У. Тобто. необхідно перетворити сигнал із зменшенням його амплітуди (зменшення має бути лінійним). Відомо, що лінійно зменшити напруга сигналу з допомогою звичайного резистивного дільника. Знаючи вхідний опір АЦП, і поставивши струмом дільника, визначаються номінали його резисторів. У цьому треба додати перемінний резистор для настройки дільника, т.к. номінали резисторів неодмінно різнитимуться від розрахункових. Проте, в тому випадку просте застосування резистивного дільника буде невиправданим, т.к. необхідно двостороннє обмеження аналогового сигналу за рівнем для захисту входу АЦП.

Ефективним способом обмеження рівня вхідного сигналу є використання диодной захисту. [7] І тому створюються два джерела напруженості із напругами трішки меншими рівнів необхідного обмеження (до рівня падіння напруги на диоде). Потім вони через діоди підключаються до лінії, через яку проходить ограничиваемый сигнал. Джерела напруги можна створити з допомогою делителей напруги. Але тут існує обмеження: еквівалентну опір джерела має бути мало проти опором джерела сигналу. Тож ефективнішої роботи такого обмежника, як джерело напруги потрібно застосування низкоомного дільника, що сприятиме підвищеному енергоспоживанню. З іншого боку обов’язково знадобиться настроювання делителей. Кардинальним вирішенням цієї проблеми є використання кронштейна як джерел напруги параметричних стабілізаторів на стабилитронах. Але звичайні стабилитроны загального застосування що неспроможні забезпечити необхідної точності: допуск на напруга стабілізації в більшості з них коливається не більше 20%, а температурний коефіцієнт стабілізації дуже великий. Тоді як АЦП вимагає обмеження рівня максимального позитивного напруги лише на рівні 5,5 У, а робочий діапазон (повна шкала) закінчується на позначці 5,12 У. Тому, за застосуванні звичайних стабилитронов можливо чи перевищення припустимого напруги з його вході, чи обрізка робочого сигналу. Виходом є застосування спеціальних прецизійних стабилитронов. Але прецизійні стабилитроны на напруги стабілізації менш як шести Не выпускаются.

Бажано звісно здійснювати обмеження вхідного сигналу безпосередньо в входу АЦП, але оскільки необхідні стабилитроны відсутні, можна обмежити вхідний сигнал ще до його зменшення неї, тобто. обмеження зробити лише на рівні 7,2 У (прецизійні стабилитроны з близькими напругами стабілізації існують). Потім, сигнал, рівень якого може перевищувати 7,2 У зменшується за амплітудою, і подається на вхід АЦП. При необхідному заданому коефіцієнті передачі, рівень сигналу на вході АЦП не перевищить граничного значення. Щоправда цього методу є недоліки: при їх настроюванні коефіцієнта передачі, і навіть на виході з ладу вузла, відповідального за зменшення рівня сигналу, напруга на вході АЦП може перевищити дозволене значення. Але побудова захисту від усіх можливих несправностей призведе до надмірного ускладнення схеми, крім того немає гарантій, що ні відмовлять самі устрою захисту. При обраному способі захисту вхід АЦП захищений від перевищення рівня сигналу з допомогою повороту гантрии понад припустимого діапазону, і навіть від будь-яких несправностей, включаючи неправильне комутацію дротів, що потенційно можуть статися поза схеми розроблюваного устрою поєднання. Принципова схема устрою захисту від перевищення рівня аналогового сигналу представлена на рис. 4.6. [pic].

Рис. 4.6 Двосторонній обмежувач рівня за захистом АЦП від перевищення рівня вхідного аналогового сигнала.

Стабилитроны VD1 і VD2 що з резисторами R1 і R2 для завдання струму стабілізації утворюють джерела опорного напруги. Діоди VD3 і VD4 йдуть на обмеження рівня аналогового сигнала.

У джерелах напруги, що використовуються ланцюгів захисту, будуть використовуються два прецизійних стабилитрона марки 2С166 В, з номінальним напругою стабілізації 6,6 У. Цей кремнієвий стабилитрон малої потужності призначений до застосування як джерело номінального опорного напруги 6,6 У в ланцюгах постійного струму буде в діапазоні струмів стабілізації 3…10 мАЛО. Випускається в скляному корпусі з гнучкими висновками. Тип стабилитрона наводиться на корпусі. З боку виведення, позитивного для робочого режиму (анода) на корпусі наноситься біла смуга. Маса стабилитрона трохи більше 5 р. [8] Основні електричні параметри стабилитрона 2С166 В наведені у табл. 4.2.

Табл. 4.2.

Основні електричні параметри стабилитронов 2С166 В.

|Номинальное напруга стабілізації*, У |6,6 | |Розкид напруги стабілізації*, % |-5…0…5 | |Температурний коефіцієнт напруги стабілізації*, % на (З| | | |(0,0005% | |Відхід напруги стабілізації*, мВ |-2…-0.5…+1,| | |5 | |Тимчасова нестабільність*, мВ |(1,4 | |Диференціальний опір при Т=25(С*, Ом |8…11…20 | |Мінімальний струм стабілізації, мАЛО |7,5 | |Максимальний струм стабілізації, мАЛО |10 | |Рассеиваемая потужність, мВт |70 | |Температура довкілля, (З |-60…+125 |.

* При струмі стабілізації рівному 7,5 мА.

Задля більшої нормальної роботи обмежувачів напруги, необхідно сигнал від датчика подавати через резистор. Номінал резистора може бути таким, щоб за спрацьовуванні однієї з обмежувачів, струм через відповідний стабилитрон не перевищував встановленого краю. Максимально можливий рівень сигналу, що надходить на схему при граничному повороті гантрии симулятора вбирається у 9 У. Обмеження сигналу проводиться на рівні 7,3 У. Отже падіння напруги на вхідному резисторе R3 не перевищить 1,7 У. Вибравши номінал резистора R1 рівним 5,1 кОм, максимальний струм обмежувача встановлюється лише на рівні 0,3 мАЛО. Тобто. при спрацьовуванні обмежувачів, прирощення струму через кожній із стабилитронов не перевищить 0,3 мАЛО, що ні виведе його з робочого режима.

Визначимо номінали резисторів R1 і R2, котрі задають струм через стабилитроны VD1, VD2. Т.к. стабилизированное напруга 6,6 У виходитиме з 15-ти У, а номінальний струм стабілізації рівний 7,5 мАЛО, можна визначити номінали резисторов:

[pic] Ом;

Выбрав найближче стандартне значення 1,1 кОм, й, узявши резистор з допуском (5% струм стабілізації обмежитися не більше 7,2…8,0 мАЛО, що припустимо для вибраних стабилитронов.

Обмеження сигналу лише на рівні 7,3 У забезпечується підключенням сигнальною лінії до джерел опорного напруги через діоди VD3, VD4. Для цього використовуються германиевые діоди Д18, мають номінальне пряме падіння напруги 0,7 У. Вибір даних приладів обумовлений підхожим прямим падінням напруги, і навіть дешевизною та його малими розмірами. Максимальний постійний прямий струм через діод дорівнює 16 мА.

4.3 Перетворення аналогового сигнала.

Після пристроїв обмеження рівня вхідного сигналу необхідно цей сигнал зменшити у тому, що він підходив під параметри АЦП. Це можна зробити кількома способами. Найпростіший і дешевий спосіб — використання резистивного дільника. Але не дуже хороше рішення: знадобиться враховувати вхідний опір АЦП, опір, що стоїть на вході (необхідне обмежувачів), і навіть параметри самого датчика. У цьому схема зажадає складної настройки, і за зміні будь-якого параметра, відбудуться порушення у її діяльності - зміни напруг спрацьовування обмежувачів, рівня сигналу на вході АЦП. Прийнятним рішенням є використання операційного підсилювача (ЗУ) як устрою перетворення напруги сигналу на шляху подання на вхід АЦП, а також як буфера. Вхідні струми ЗУ мізерно малі, і тому обмежує резистор, стоїть на вході, не вплине до рівня (напруга) сигналу. З іншого боку напруга вхідного сигналу нічого очікувати залежати від вхідного опору АЦП. ЗУ необхідно залучити до неинвертирующем режимі, задля забезпечення максимального вхідного опору. Але за такого включенні не можна домогтися необхідного коефіцієнта посилення (.