Interfete de proces reprezint conexiunea dintre sistemul de calcul i dispozitivele de automatizare distribuite n procesul controlat Functii indeplinite: adaptarea semnalelor de intrare la specificaiile tehnologiei digitale utilizate (n mod uzual TTL sau CMOS); aceasta presupune adaptare de impedan, amplificare, filtrare, eantionare i diverse tipuri de conversii generarea semnalelor de ieire conform specificaiilor date de dispozitivele de automatizare ctre care se ndreapt; i aceast funcie presupune adaptare de impedan i de putere, amplificare i conversii izolarea galvanic a semnalelor de intrare i de ieire, cu scopul de a proteja sistemul de calcul (partea inteligent) de eventuale defeciuni aprute n partea de proces i care ar putea s distrug componentele digitale (ex.: conectarea accidental a unor tensiuni ridicate pe semnalele de intrare sau de ieire, scurtcircuite, etc.) memorarea temporar a datelor sincronizarea fluxului de date de intrare i de ieire cu viteza de lucru a procesorului

Factori de care depinde structura unei interfete numrul de semnale recepionate i transmise natura semnalelor: digitale sau analogice, de tensiune sau de curent, cu codificare pe nivel, n frecven sau n lime de impuls, etc. domeniul de frecven al semnalelor precizia de prelucrare a semnalelor tipul de magistral la care se conecteaz interfaa

Moduri de transfer utilizate intr-o interfata prin program unitatea central controleaz direct transferul de date, pe baza unei rutine de transfer prin ntreruperi fiecare nou transfer este iniiat prin activarea unui semnal de ntrerupere; transferul propriu-zis se realizeaz de unitatea central printr-o rutin de ntrerupere prin acces direct la memorie un circuit specializat, controlorul de acces direct la memorie, dirijeaz transferul ntre memorie i interfa prin procesor de intrare/ieire un procesor specializat, coninut n interfa, se ocup de transferul de efectuarea transferului

Schema de principiu a unei interfete de proces Componente: registre (porturi) de ieire (RE)- pentru memorarea semnalelor de ieire registre (porturi) de intrare (RI) pentru citirea semnalelor de intrare

circuite de adaptare (CA) adapteaz semnalele de intrare i de ieire circuit de decodificare (Dec) pentru selecia registrelor de intrare i de ieire

Magistrala sistem

Adrese Date Comenzi RE RI

Selecie Dec Selecie CA

CA

CA

CA

CA

CA

Tipuri de interfete Interfee de ieire pentru semnale digitale prin releu prin optocuplor prin tiristor comanda motor pas-cu-pas comanda motor de c.c. Interfee de intrare pentru semnale digitale prin releu prin optocuplor Interfee de ieire pentru semnale analogice circuite de conversie Interfee de intrare pentru semnale analogice circuite de conversie

Interfee de ieire pentru semnale digitale circuit de ieire digital prin releu functionare caracteristici: asigur o izolare galvanic foarte bun pot fi comutate tensiuni i cureni mari componentele mecanice ale releului limiteaz frecvena semnalului de ieire (max. 1Hz) comutrile frecvente provoac uzura prematur a releului

V

Circuit de for K

D1 Circuit TTL R1 T1 R2

Consumator

circuit de ieire digital prin optocuplor functionare caracteristici: asigur o izolare galvanic bun frecvena maxim a semnalului este mult mai mare (10KHz- 1MHz) comutrile repetate nu afecteaz circuitul (numr nelimitat de cicluri) puterea transmis este mic

V1 R1

V2 R2 R3

Comand

Ieire TTL

Optocuplor

T

circuit de ieire digital prin tiristor caracteristici: nu asigur izolarea galvanic a circuitului de comand de circuitul de for exist pericolul strpungerii tiristorului, ceea ce permite trecerea tensiunii din circuitul de for n partea de control consumatorul (elementul de acionare) poate fi comandat n impulsuri

V Ur R Uc R1 T1 R2 Uc T2 Ur

V

Circuit TTL

t

t

circuit de ieire pentru comanda motoarelor pas-cu-pas unipolare curentul circula intr-un sens bipolare curentul circula in 2 sensuri

V L1 L1 L2 L4 C1 C2 C3 C4 Ieiri TTL R1 R2 R3 R4 L2 L3 L4

L3

C1

comanda circuitului pentru motoarelor pas-cu-pas unipolare

C2

C3 C4

varianta a.

varianta b.

L1 T1

V T3

L2 Comanda unui motor pas-cu-pas bipolar C1 T2 T4

C2

V T1 T3

C1

C2 T4 circuit de ieireT2 pentru comanda motoarelor de curent C1 turaia continuu t C2 M

Interfee de intrare pentru semnale digitale

circuit de intrare digital prin releufunctionare caracteristici:izolare galvanic foarte bun V frecvena de comutare este limitat superior (aprox. 1 Hz) V numr limitat de cicluri de comutare, datorit uzurii R2 Intrare TTL componentelor mecanice R1Circuit de for K C D

circuit de intrare digital prin optocuplorfunctionare caracteristici:izolare galvanic bun dimensiuni reduse frecvene de comutare relativ mari (1kHz- 100KHz) numr nelimitat de cicluri de comutareVi V C R1 R2 Intrare TTL

Optocuplor

Interfee de ieire pentru semnale analogiceCanal analogic de iesireregistrul memoreaz valoarea digital a semnalului analogic CD/A convertor digital-analog convertete un semnal digital ntr-o valoare analogic FTJ filtru trece jos realizeaz filtrarea semnalului de ieire, atenund trecerile brute ntre valorile de ieire discrete amplificator adapteaz semnalul analogic de ieire conform unui anumit standard de transmisie (tensiune, curent, impedan), sau conform cu specificaiile dispozitivului de acionare dispozitiv de acionare element de automatizare menit s influeneze evoluia unui proces adaptor transform semnalul analogic ntr-o comand ctre elementul de execuie Magistrala sistem element de execuie dispozitiv care acioneaz asupra unui parametru de Interfa (ex.: analogic intrare n procesde ieirerobinete, valve, motor electric, etc.)Registru Amplif. CD/A FTJ Disp. de execuie Adaptor Elem. exec.

Circuite de conversie digital-analogice

varianta 1 Caracteristicile circuitului de conversie:precizia de conversie este puternic influenat de precizia sursei de referin i de precizia rezistenelor din reea; o abatere de 1% a rezistenei R7 are un efect echivalent D7cu aportul ramurii corespunztoare bitului D0 D6 D0 conversia este continu n timp i discret ca valori de ieire1mA 10k 1/2mA 2*10k 1/128mA 128*10k I= Di*Ii + Ue R

10V Eref

varianta 2 Caracteristici:schema este mai puin sensibil la precizia de realizare a rezistenelor; este mult mai uor s se realizeze rezistene de aceeai valoare datorit nivelelor multiple de comutare apar cderi de tensiune care modific valoarea tensiunii selectate (fiecare comutator induce o cdere de tensiune)

Uref Ue = n * (Uref/16) = = (D0+D1*2+D2*4+D3*8)* (Uref/16)

15/16Uref

14/16Uref

+

Ue

1/16Uref

D0

D1

D2

D3

Varianta 3Ue = - R* Ii = = -R * ( Uref/ 2R+ Uref/4R+ ..+ Uref/2 R) = = -Uref *( D0/2 + D1/4 + .. +Dn/2 )n+1 n+1

R Uref 2R R 2R I1 D1 1 I0 D0 0

Ue

Caracteristici: precizia conversiei este mai puin sensibil la precizia de realizare a rezistenelor sursa de referin este permanent ncrcat cu aceeai sarcin, indiferent de poziia comutatoarelor, ceea ce reduce variaia tensiunii de referin i implicit crete precizia conversiei tehnologic este mult mai uor de realizat o reea de rezistene care au doar 2 valori

R

2R 2R

In D n

Convertoare cu modulaie n lime de impulsdezavantaje ale convertoarelor analogice:tehnologia de realizare este complex (combinaie de tehnologie analogic i digital), schema este mai greu de integrat pe scar larg i implicit preul circuitului este mai ridicat precizia de conversie este influenat de precizia referinei de tensiune i de precizia componentelor pentru controlul convertorului sunt necesare mai multe linii digitale de date

Conversia prin modulaie n lime de impuls (eng. PWM Pulse Width Modulation) tehnologie pur digitala pentru a obtine un efect similar cu cel produs de un semnal analogic o singura iesire digitala este echivalenta cu un semnal analogic solutia: modularea in latime de impuls in functie de valoarea iesirii

PWM

T

T

implementare: numarator reprogramabil si cu 80% autoinitializare 55%t

Interfee de intrare pentru semnale analogicetraductorul dispozitiv conectat n proces i care transform variaia unei mrimi fizice n variaia unui semnal electric; traductorul se compune dintr-o parte de senzor i un adaptor de semnal amplificatorul are rolul de a adapta semnalul de intrare la domeniul admis al convertorului analogdigital; n anumite cazuri este necesar izolarea galvanic a semnalului de intrare de restul circuitului multiplexorul analogic (MUX) permite comutarea mai multor intrri analogice la un singur convertor analog-digital filtrul trece jos (FTJ) are rolul de a limita frecvena semnalului de intrare; se consider c acele componente de semnal care depesc o anumit limit de frecven sunt generate de zgomote i n consecin trebuie eliminate circuitul de eantionare/reinere (eng. S/H Sample and hold) are rolul de a preleva eantioane din semnalul de intrare i de a menine constant valoarea eantionat pe toat durata ciclului de conversie convertorul analog-digital (CAD) convertete un semnal analogic ntr-o valoare digital registrul de intrare (RI) memoreaz valoarea convertit pentru a fi citit de procesor Interfaa de intrare analogic Magistrala sistem Traductor Amp. S M U X FTJ S/H CAD RI

Selecie MUX

Circuite de amplificare

Pentru amplificatorul inversor: (Ue Uref)/R2 = (Uref Ui)/R1 Ue= - R2/R1*( Ui (1+R1/R2)*Uref) Ui= Ui_off +Ui ;Uref se regleaza astfe incat sa se elimine tensiunea de offset de la intrare R2 (Ui_off = (1+R1/R2)*Uref) Ue= -R1/R2* Ui => R1/R2 = factorul U amplificare de UUi R1 i

+ -

V+ Uref V-

+

Ue

Ue

i

+ -

Ue

R2 R1 b. circuit neinversor c. circuit repetor

a. circuit inversor

Amplificatoare de intrarepentru amplificatorul neinversor:Ui = Ue* R1/(R1+R2) Ue = (1 + R2/R1)* Uicomparatie intre cele 3 variante: Circuitul inversor:amplificare controlabila prin R1 si R2, eliminarea offesetului prin Uref impedanta de intrare este dependenta de rezistente

Circuit neinversor:iesirea este de aceeasi polaritate cu tensiunea de intrare amplificarea este supraunitara impedanta de intrare este foarte mare

Circuitul repetor:amplificare unitara (egala cu 1) impedanta foarte mare nu elimina offsetul

Circuit de intrare pentru semnale analogice

Izolarea galvanica a semnalului de intrare:greu de realizat (cu optocuploare, cu transformatoare de semnal sau cu amplificatoare cu optocuploare incorporate) precizia masurarii scade

Modulul de filtrare:pentru eliminarea zgomotelor filtru trece jos pentru taierea frecventelor mai mari de jumatoate din frecventa semnalului de esantionare filtru antiT aliasingeantioanre

t Tsinus Tsinus fals

Ui AO1 AO2 Ue

Modulul de esantionare-retinere CLK (eng. sample-and-hold)Semnal eantionat

C

Semnalul iniial

Convertoare analog-digitaleConvertor cu aproximri succesive - Caracteristici:Sfrit conversie Start conversie Bloc de control Comparato Ui r Registru de + aproximri succesive R Date I Uconv Convertor D/A

conversia nu este continu; ea se realizeaz n cicluri, care au un numr de pai dependent de numrul de bii pe care se face conversia vitez medie de conversie (1-100 s), precizie i rezoluie moderat (10-12 bii) pre relativ mic 255 sunt cele mai utilizate convertoare analogUconv digitale128 96 64 32 0 1

Ui

0

1

0

1

0

0

= 5416

Convertor A/D cu comparatoare convertoare flashCaracteristici: vitez de conversie foarte mare conversie continu n timp este mai dificil de integrat, datorit comparatoarelor analogice numrul comparatoarelor crete exponenial cu numrul de bii pe care se face conversia (ex.: pentru 8 bii sunt necesare 256 de comparatoare) precizia i rezoluia de conversie este limitat (uzual conversia se face doar pe 8 bii)Ui255/256* Uref

Uref R255 + R254 + + + -

Codificator prioritar 255 D7 D6 D5 D0 1

254/256*Uref

254 253

R254

1/256*Uref

R0

Convertor cu dubl pantCaracteristici:rezoluie foarte mare (12-16 bii); rezoluia este dat de numrul de bii ai numrtorului, nefiind limitat superior precizie mare, deoarece procesul de conversie nu este influenat de precizia componentelor analogice sau de variaia tensiunii de P1 P2 alimentare Ui timp de conversie relativ mareC U3 U2 U1 t1 Comand t2 t3 Ucondensator

Comp.

NumrtorStop

Data

GStart

Comand CLK

Convertor sigma-deltaCaracteristici:integrabilitate foarte bun (numr mic de componente analogice) se pot aplica filtre digitale pe semnalul binar generat frecven mare de eantionare rezoluie bun imunitate la zgomote se recomand pentru tehnicile digitale de prelucrare a semnalelorx(t) xd(t) x(t) x(t) xd(t) y(kT) y(kT) t t

conversie A/D (modulaie) Convertor pe un bit

Figura 3.34 Diagrama de conversie sigma-delta

y(kT)

conversie D/A (demodulaie) y(kT) FTJ x(t)

Figura 3.33 Principiul conversiei sigma-delta

Probleme privind conversia analog-digital

frecvena de eantionare cuantizarea valorii parametrului de intrare eroarea de conversie:eroarea de digitizare datorit cuantizrii valorilor eroarea de neliniaritate proporionalitatea nu este meninut pe toat plaja de valori eroarea de offset dreapta de conversie nu trece prin punctul de origine, adic la o tensiune de intrare 0 valoarea convertit este diferit de 0 sau invers eroarea de comutare apare la comutarea de la o valoare cu muli bii de 1 la o valoare cu un numr mai mic de bii de 1 (ex.: 00001111 00010000); pentru o valoare mai mare de intrare valoarea digital este mai mic

Eroarea de conversie

Vd

Eroare de digitizare

Vd

Eroare de offset

Eroare de comutare 1000 0111

Eroare de neliniaritate

Ui

Ui