Проектирование сенсорных микропроцессорных систем управления

ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ

СИБИРСКИЙ ФЕДЕРАЛЬНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

О.В. Непомнящий,  Е.А. Вейсов

Проектирование сенсорных 

микропроцессорных систем управления

Монография

Красноярск 

СФУ 
2010

УДК 621.37
ББК 32.844.1

Н 53

Рецензенты:
Губарев Василий Васильевич, д-р техн. наук, профессор, заведующий кафедрой вычислительной техники, Новосибирский государственный технический университет, г.Новосибирск;
Аристов Анатолий Владимирович, д-р техн. наук, доцент, заместитель директора института дистанционного образования, Томский политехнический 
университет, г.Томск.

Непомнящий О.В.

Н 53 Проектирование сенсорных микропроцессорных систем управления: 

монография / О.В. Непомнящий, Е.А. Вейсов. – Красноярск: Сибирский федеральный ун-т, 2010. – 149 с.

ISBN 978-5-7638-1985-4

Изложены основные сведения по современным датчикам, средствам сопря
жения и методам проектирования систем с датчиками. Подробно рассмотрены 
группы и классы датчиков. Приведены сведения о методах и способах оцифровки 
аналоговых сигналов, известные подходы к моделированию электронных систем 
управления на основе гибридных устройств. Сделан сравнительный анализ языковых средств представления проекта. Даны практические рекомендации по проектированию микропроцессорных систем с датчиками.

Предназначено для научных работников в области микропроцессорной тех
ники и микроэлектроники, аспирантов и студентов направлений подготовки специалистов 090102.65, 090103.65, 090104.65, и 230100.65 укрупненных групп 090000 
«Информационная безопасность» и 230000 «Информатика и вычислительная техника».

ISBN 978-5-7638-1985-4

УДК 621.37
ББК 32.844.1

© Сибирский 
федеральный 
университет, 2010

СОДЕРЖАНИЕ

Введение ............................................................................................................... 5

РАЗДЕЛ I. ДАТЧИКИ И СХЕМОТЕХНИКА СРЕДСТВ 
СОПРЯЖЕНИЯ .................................................................................................. 7

Глава 1. Общие сведения о датчиках .............................................................. 8

Глава 2. Резистивные датчики .......................................................................11

Глава 3. Усилители выходных сигналов ...................................................... 16

3.1. Общие сведения об операционных усилителях .................................. 16
3.2. Прецизионные усилители ..................................................................... 20
3.3. Шумы и помехи в цепях с операционными усилителями ................. 21
3.4. Операционные усилители с однополярным питанием....................... 22
3.5. Инструментальные усилители .............................................................. 23
3.6. Защита входов усилителя от выбросов напряжения .......................... 25

Глава 4. Тензометрические датчики ............................................................. 30

4.1. Тензодатчики – общие сведения ........................................................... 30
4.2. Применение тензодатчиков для измерения силы ............................... 32
4.3. Измерение потоков жидкостей и газов ................................................ 33
4.4. Измерение деформации ......................................................................... 34

Глава 5. Датчики с высоким входным сопротивлением .......................... 38

5.1. Фотодиоды .............................................................................................. 38
5.2. Зарядовые датчики ................................................................................. 41

5.2.1. Пьезоэлектрический датчик ..........................................................43
5.2.2. Шумопеленгаторы ......................................................................... 44
5.2.3. рН пробник ..................................................................................... 44
5.2.3. Приборы с зарядовой связью ........................................................ 44

Глава 6. Датчики положения и перемещения ............................................. 48

6.1. Линейные дифференциальные трансформаторы ................................ 48
6.2. Датчики Холла ........................................................................................ 51
6.3. Оптические кодировщики ..................................................................... 53
6.4. Сельсины и синус-косинусные вращающиеся трансформаторы ...... 54
6.5. Индуктосины .......................................................................................... 57
6.6. Акселерометры ....................................................................................... 59

Глава 7. Датчики температуры ..................................................................... 63

7.1. Датчики температуры – общие сведения ............................................. 63
7.2. Термопары и компенсация холодного спая ......................................... 63
7.3. Резистивные датчики температуры ...................................................... 72
7.4. Термисторы ............................................................................................. 73
7.5. Полупроводниковые датчики температуры ......................................... 76
7.6. Датчики температуры с цифровым выходом ...................................... 77
7.7. Термореле и регуляторы с установкой температуры .......................... 79
7.8. АЦП с датчиком температуры на одном кристалле ........................... 80

Глава 8. Аналого-цифровые преобразователи ............................................ 83

8.1. АЦП последовательного приближения ............................................... 83
8.2. Сигма-дельта АЦП ................................................................................. 86

Глава 9. Сети датчиков, интелектуальные датчики ................................. 89

9.1. Токовая петля .......................................................................................... 89
9.2. Объединение датчиков в сеть ............................................................... 92
9.3. MicroConverter™ .................................................................................... 95

РАЗДЕЛ 2. МОДЕЛИРОВАНИЕ СЕНСОРНЫХ 
СИСТЕМ УПРАВЛЕНИЯ .............................................................................. 97

Глава 10. Общие аспекты моделирования цифровых 
электронных устройств с датчиками ........................................................... 98

10.1. Математические модели ...................................................................... 98
10.2. Алгоритмы анализа датчиков с аналоговым выходом 
и схем сопряжения с микропроцессорными устройствами .................... 105
10.3. Алгоритмы анализа цифровых модулей сопряжения ......................110
10.4. Методы моделирования генерируемых 
и воздействующих полей ............................................................................112

Глава 11. Языки описания аппаратуры ......................................................115

Глава 12. Программные средства моделирования 
радиоэлектронной аппаратуры ................................................................... 121

12.1. Пакеты программ схемотехнического проектирования 
радиоэлектронных средств и устройств ................................................... 121
12.2. Пакеты программ конструкторского проектирования 
радиоэлектронных средств и устройств ................................................... 126

12.3. Программные системы для электродинамического 
моделирования СВЧ-устройств и полей ................................................... 129

Заключение ...................................................................................................... 132

Список литературы ....................................................................................... 134

Приложения .................................................................................................... 137

Введение

В современном мире микропроцессорная техника применяется при 

решении самых разнообразных задач в области сбора и обработки информации, систем автоматического управления и др. Практически любая электронная система, обладающая достаточной функциональной сложностью, 
реализуется с помощью микропроцессорных устройств. Не менее интенсивно происходит развитие устройств ввода различных видов сигнала в вычислительную систему – датчиков.

В первом разделе монографии приведены основополагающие методы и 

способы построения микропроцессорных систем с различными датчиками 
(сенсорами), методы организации и применения датчиков различных типов. 
Рассмотрены схемотехника средств сопряжения на основе операционных 
усилителей, принципы построения согласующих звеньев. Также рассмотрены практические приемы применения датчиков в системах управления и 
контроля. Даются основополагающие методики расчета цепей сопряжения 
микропроцессорных систем с датчиками.

Во втором разделе монографии представлены известные подходы к 

моделированию электронных систем ввода и анализа сигнала. Рассмотрены принципы построения математических моделей означенных систем. 
Изложены методы описания электронных модулей при помощи языковых 
средств. Представлены программные комплексы, применяющиеся для моделирования систем на современном этапе развития. Дано описание законченных программно-аппаратных комплексов.

РАЗДЕЛ I

ДАТЧИКИ И СХЕМОТЕХНИКА 
СРЕДСТВ СОПРЯЖЕНИЯ

Глава 1. Общие сведения о датчиках

Датчиком (sensor) называется устройство, вырабатывающее выходной 

сигнал в ответ на входной электрический сигнал или механическое действие. Иначе датчиками называют преобразователи (transducer) одного 
типа сигнала в другой.

Датчики применяются для измерения различных физических свойств 

материалов и сред (температуры, силы, давления, позиции, интенсивности 
света и др). Эти входные воздействия задают возбуждение датчика, который 
входит в систему измерения данного параметра. Такой системой является 
совокупность аналоговых и/или цифровых модулей управления/анализа 
каким-либо процессом.

Различают активные и пассивные датчики. Активный датчик исполь
зует внешние цепи возбуждения, например датчики на резисторах. Такие 
датчики изменяют свое сопротивление в зависимости от состояния окружающей среды датчика, но для его функционирования необходим источник 
тока, к которому он подключен.

Пассивные датчики могут сами формировать выходной сигнал без ис
пользования внешнего источника тока или напряжения, например фотодиоды. Фотодиод генерирует фотодиодный ток в зависимости от уровня освещенности, который не зависит от внешних цепей.

В табл. 1.1 приведен список типичных датчиков.
Выходной сигнал датчиков, как правило, достаточно мал (миллиамперы, 

милливольты, пикофарады и т.п.), в связи с этим сигнал должен быть усилен 
для приема, оцифровки и дальнейшей обработки цифровой системой.

Цепи усиления, фильтрации, трансформации и преобразования называ
ются цепями формирования сигнала.

Помимо низкого выходного сигнала выход датчика, как правило, до
статочно не линеен. Другими словами, датчики далеко не всегда выдают 
прямо пропорциональную зависимость выходного сигнала от входного возбуждения. Таким образом, цепи формирования сигнала должны содержать 
модули линеаризации датчика.

Рассмотрим типичную схему микропроцессорной системы для анализа 

и контроля температуры среды некоторого процесса (рис. 1.1).

Глава 1. Общие сведения о датчиках

9

Таблица 1.1

Типичные датчики 

Измеряемый 

параметр
Наименование датчика
Активный или 

пассивный
Выход датчика

Температура
Термоэлемент 
Тиристор 
Резистивный термометр
Термистор

Пассивный 
Активный 
Активный 
Активный

Напряжение 
Напряжение/Ток 
Сопротивление 
Сопротивление

Сила/Давление
Тензометр 
Пьезокварцевый датчик

Активный 
Пассивный

Сопротивление 
Напряжение

Ускорение
Акселерометр
Активный
Емкость

Позиция
Преобразователь перемещения 

Активный
Переменное напряжение

Интенсивность 
света

Фотодиод
Пассивный
Ток

Температурный датчик помещен в исследуемую среду (процесс). Вы
ходной сигнал датчика согласовывается (нормируется) и поступает на вход 
аналого-цифрового преобразователя (АЦП). Микропроцессор (микроконтроллер) управляет работой АЦП и воспринимает преобразованный 
в соответствующую цифровую величину сигнал, получаемый с датчика. 
Исполнительным устройством системы контроля температуры является нагреватель, управляемый микропроцессором при помощи цифроаналогового 
преобразователя и схем согласования. Основываясь на данных о темпера
Рис.1.1. Схема управления термопроцессом

Раздел I. Датчики и схемотехника средств сопряжения

туре, микропроцессорная система поддерживает уровень приложенного напряжения (протекающего тока) через нагреватель для поддержания заданного значения температуры процесса.

Если эту или аналогичную систему объединить в один конструктив, мы 

получим интеллектуальный датчик (smart sensor), который имеет функции 
самонастройки, автолинеаризации и пр. Если расширить интеллектуальный 
датчик возможностями передачи данных по стандартизированной локальной сети, то мы получим интегрированную систему сбора и обработки 
информации. Такие системы выпускаются ведущими мировыми производителями (Analog Devices, Texas Instruments, Philips и др.). Они интегрируют на одном конструктиве (или даже кристалле) высокопроизводительные 
аналого-цифровые преобразователи (АЦП), цифро-аналоговые преобразователи (ЦАП), микроконтроллеры, flash-память, различные стандартные 
контроллеры последовательной передачи данных и др.

Глава 2. Резистивные датчики

Наиболее распространенными датчиками являются резистивные эле
менты. В табл. 2.1 приведены различные резистивные датчики.

Как показывают данные из табл. 2.1, первые три позиции имеют малый 

диапазон измерения сопротивления, следовательно, при использовании 
этих датчиков особенно необходимо очень точно отслеживать малейшие изменения сопротивления.

Обычная схема подключение резистивного датчика приведена на 

рис. 2.1.

Следует заметить, что при данном включении необходимо учитывать 

нелинейность как самого датчика, возникающую при его самонагреве, так 
и возможную нестабильность работы источника тока. Для избежания этих 
искажений рекомендуется использовать источник тока малой величины.

Более сложными, но и более распространенными схемами включения 

резистивных датчиков являются различные мостовые схемы, например, 
мост Уитстона (рис. 2.2).

Если плечи моста равны (R1/R4 = R2/R3), то такой мост называют сбалан
сированным (нулевым).

Пусть R1 - датчик, определим R2/R3=К, при этом будем механиче
ски вводить мост в нулевое положение при помощи подстроечного ре
Таблица 2.1

Резистивные датчики

Наименование датчика
Диапазон сопротивлений

Тензометрические датчики
120 Ом, 350 Ом, 3500 Ом

Динамометры
350 Ом – 3500 Ом

Датчики давления
350 Ом – 3500 Ом

Датчики относительной влажности 
100 кОм – 10 MОм

Термометры сопротивления 
100 Ом, 1000 Ом

Термисторы
100 Ом – 10 MОм

Раздел I. Датчики и схемотехника средств сопряжения

12

Рис. 2.1 Резистивный датчик

I
R +   R
Vout

)
(
R
R
I
V out
Рис. 2.2. Мост Уитстона

VB

R4

VO

R3

R2
R1

+

R
R
R
R
V

V

R
R
R
R
R
R
R
R

V
R
R
R
V
R
R
R
V

B
B
B
out

3

2

4

1
0

3

2

4

1

3

2

4

1

3
2

2

4
1

1

,0

1
1

зистора R4 который имеет шкалу (например, реостат). Таким образом 
получим систему управления/подстойки параметров датчика R1. Данную систему можно использовать, например, для определения уровня 
поднятия заслонки при подаче жидкостей через электро-механический 
вентиль.

В мостовых схемах можно применять более одного датчика и опреде
лять их сопротивление по напряжению диагонали моста (рис. 2.3). Как уже 
указывалось, следует учитывать, что относительное изменение выходного 

Глава 2. Резистивные датчики

13

напряжения такого моста будет достаточно невелико (десятки милливольт 
при VB=10 В).

Чувствительность моста – это отношение максимально ожидаемого 

изменения выходного напряжения (выхода) к напряжению возбуждения 
(возбуждению). Так, если максимальный выход составляет 10 мВ, а возбуждение 10 В, то чувствительность равна 1 мВ/В.

Если мост располагается достаточно далеко от системы принятия сиг
нала, то за счет сопротивления связывающих их проводником могут возникнуть дополнительные искажения. В этом случае мосты лучше питать 
не постоянным напряжением, а током (рис. 2.4), Тогда нелинейным будет 
только четверть-мост.

Рис. 2.3. Конфигурации мостов (возбуждение напряжением)

R +   R
VB

VO

R

R

+

R +   R
VB

VO

R

R

+

R +   R
R +   R
VB

VO

R

R

+

R +   R
R +   R
VB

R

VO

R

R

+

R +   R
2
4
R
R

R
V B
 
      

2
2
R
R

R
V B
 
 
 
R
R
V B
2
 
 
        
R
R
V B

R +   R
VO

R

R

+

R +   R
VO

R

R

+

R +   R
R +   R
VO

R

R

+

R +   R
R +   R
R

VO

R

R

+

R +   R
IB
IB
IB
IB

4
4
R
R

R
R
I B
 
 
    
R
I B 2
 
 
       
R
I B 2
 
 
           
R
I B Рис.2.4 Конфигурации мостов (возбуждение током)

VB

R

R

R

RF

+VS

RF

VS/2

R+   R
2
4
R
R

R
V
V
B
out

Рис.2.5. Усиление выходного сигнала выхода четверть мостового датчика

VB

R

R

R

R+   R
-VS
+VS

VOUT

R
R
V
V
B
out
2

Рис. 2.6. Линеаризация четверть мостового датчика