У цифрових засобах вимірювальної техніки (ЗВТ) вимірювана фізична величина автоматично перетворюється на дискретний сигнал, а результат вимірювання видається у вигляді числового коду. Цифрові ЗВТ забезпечують високу точність, швидкість обробки даних та зручність інтеграції в автоматизовані системи [2]. При проектуванні таких ЗВТ вибір між апаратною та програмною реалізацією визначає рівень точності та швидкодії, вартість і гнучкість майбутнього пристрою. Сучасний підхід найчастіше поєднує обидва варіанти в рамках вбудованих систем [3].
Апаратна частина ЗВТ відповідає за фізичну взаємодію з вимірюваним середовищем, первинну фільтрацію, оцифровку та жорстку логіку керування. Програмна частина бере на себе інтелектуальні функції: математичну обробку, калібрування, керування інтерфейсом та логіку роботи приладу. Вона виконується на мікроконтролерах (MCU), цифрових сигнальних процесорах (DSP) або зовнішніх ПК[3].
При проектуванні конкретного ЗВТ для вибору оптимального балансу архітектур необхідно враховувати, яка фізична величина буде вимірюватися, які вимоги щодо точності та швидкодії, а також переваги та недоліки кожного з цих підходів. Проведемо порівняльний аналіз особливостей апаратної та програмної реалізацій ЗВТ на конкретному прикладі створення цифрового вимірювача скважності імпульсних сигналів.
Скважність імпульсів — це відношення тривалості імпульсу до періоду повторення імпульсів, що характеризує щільність їх заповнення в часі. Вимірювання саме миттєвого значення скважності (в окремо виділених періодах) полягає у фіксації поточної тривалості імпульсу та відповідної йому тривалості періоду з подальшим їх діленням [2]. Такий підхід є критично актуальним при дослідженні широтно-імпульсних модульованих (ШІМ) сигналів, коли корисну інформацію несе безпосередньо динамічна зміна скважності кожного окремого імпульсу.
Апаратне рішення базується на використанні жорсткої дискретної логіки (ТТЛШ), яка обробляє електричні сигнали фізично та паралельно, гарантуючи миттєву реакцію без операційних затримок[1]. Натомість програмне (мікропроцесорне) рішення покладається на алгоритмічне виконання коду та обробку зовнішніх переривань обчислювальним ядром контролера, що забезпечує гнучкість системи, але неминуче вносить часовий джитер, іншими словами тремтіння фази [3].
З метою доведення ефективності апаратного підходу для завдань цифрової метрології в реальному часі було проведено порівняльне дослідження розробленої апаратної реалізації вимірювача скважності імпульсних сигналів та подібної за призначенням мікропроцесорної реалізації. Аналіз виявив такі аспекти.
1. Проблема втрати детермінованості у програмних системах
Будь-який мікроконтролер реагує на зміну стану вхідного сигналу через систему переривань. Процес збереження контексту регістрів, перехід до підпрограми обробки переривання (ISR) та очищення конвеєра інструкцій займає змінну кількість тактів. Це створює фазове тремтіння, яке є критичним при вимірюванні наносекундних інтервалів [3].
2. Апаратна логіка як точна одиниця реального часу
Використання жорсткої дискретної логіки забезпечує обробку сигналів дійсно у реальному масштабі часу завдяки фізичній, а не алгоритмічній реакції на вхідні стимули [1].
3. Математичний бар'єр похибки дискретності
Для забезпечення похибки вимірювання δ≤10% при максимальній скважності S_max=1000 частота тактування має бути не нижчою за 100 МГц, що є вузьким місцем для стандартних МК, тому що більшість МК не здатні обробляти зовнішні переривання на такій частоті без пропуску тактів [2].
4. Феномен «пропущеного такту» у мікропроцесорах
Навіть при використанні апаратних таймерів МК шина даних періодично блокується іншими процесами (наприклад, арбітражем пам'яті). Це призводить до «пропущеного такту», тоді як автономні вхідні лічильники К1531ИЕ2 працюють незалежно і безперервно [4; 2].
5. «Сліпа зона» інтегруючих методів
Програмні алгоритми часто вдаються до усереднення (інтегрування) результатів за кілька періодів, що призводить до втрати даних про миттєві аномалії сигналу [2].
6. Оптимізація енергоефективності через структурний поділ
Апаратна реалізація дозволяє застосувати принцип гетерогенної частотності, що знижує загальне енергоспоживання. Підтвердження даної тези отримано в результаті розділення схеми на високочастотний вимірювальний тракт (К1531) та низькочастотний тракт обробки (К555). Обробка кодів серією К555 зменшує енергоспоживання у 3-4 рази порівняно з повністю швидкісною схемотехнікою [1].
7. Детермінованість апаратної математики
Виконання ділення методом послідовного віднімання на дискретній логіці забезпечує сталий час обробки результату [1].
8. Відмова від надмірної схемотехніки при детектуванні нуля
Апаратна логіка дозволяє використовувати приховані ресурси мікросхем, спрощуючи конструкцію. Замість багаторозрядних схем порівняння використано вбудований вихід позики ВО (Borrow Output) лічильників К555ИЕ6, який автоматично формує імпульс при переході через нуль [1].
9. Ренесанс апаратних рішень у сучасній метрології
У завданнях, де потрібен безкомпромісний аналіз форми імпульсу, елементна база ТТЛШ перевершує мікропроцесорні системи. Для створення мультифункціонального приладу з миттєвим виміром у діапазоні до 100 МГц доцільно використовувати апаратну логіку як високоточний інструмент без «операційного шуму» [1; 2].
Зведені результати порівняльного аналізу розробленого пристрою та типових мікропроцесорних систем наведено у таблиці 1.
Таблиця 1 — Порівняльний аналіз засобів вимірювання скважності
Висновки. Порівняльний аналіз доводить, що для високоточного вимірювання миттєвої скважності високочастотних імпульсних сигналів апаратна реалізація має беззаперечні переваги над мікропроцесорними системами. Відмова від програмної обробки на користь дискретної елементної бази (серії К1531 та К555) дозволяє досягти стабільної роботи у жорсткому реальному часі, що є фундаментально необхідним для точного аналізу швидкоплинних ШІМ-процесів.
Список використаних джерел
1. Бойко В. І., Жуйков В. Я., Зорі А. А. та ін. Цифрова схемотехніка електронних систем: Підручник. — К.: Вища школа, 2010. — 426 с.
2. Поліщук Є. С., Дорожовець М. М., Яцук В. О. та ін. Метрологія та вимірювальна техніка: Підручник / За ред. Є. С. Поліщука. — 2-ге вид., доп. та переробл. — Львів: Вид-во Львівської політехніки, 2012. — 544 с.
3. Вонсевич К. П., Безуглий М. О. Мікропроцесорна техніка: Навчальний посібник. — Київ: КПІ ім. Ігоря Сікорського, 2021. — 94 с.
4. Datasheet SN74F04/74F90. Fast TTL Logic Series. Texas Instruments, 2011.
|
Голосування 
Ця робота ліцензується відповідно до Creative Commons Attribution 4.0 International License
Знайшли помилку? Виділіть помилковий текст мишкою і натисніть Ctrl + Enter