Programowe zwiększenie rozdzielczości pomiaru temperatury w sterowniku SU (nadpróbkowanie czyli oversampling)

Sterownik SU 1.2 oraz sterownik SU 1.5 umożliwiają pomiar temperatury za pomocą czujników PT100 w zakresie -50…+160 stopni Celsjusza z rozdzielczością 0,2 stopnia na bit. Wynika to z tego że przetwornik mikrokontrolera jest 10 bitowy (1023 bitów), natomiast offset wynosi 89 bitów:

Obliczenie rozdzielczości standardowej

Aby uzyskać rozdzielczość 0,01 stopnia na bit należy zwiększyć programowo rozdzielczość przetwornika do 15 bitów. Jest to tak zwana metoda nadpróbkowania, tzw. oversampling. Aby wykorzystać metodę oversamplingu, w mierzonym sygnale powinien znajdować się szum. Szum ten pochodzi od: CPU, wahania napięcia źródła zasilania, pracy portów wejścia/wyjścia, szum termiczny. Zwiększając rozdzielczość przetwornika przez oversampling, zmniejszamy częstotliwość próbkowania sygnału. Aby zwiększyć rozdzielczość przetwornika z 10 do 15 bitów (n=5) należy 4^5=1024 razy dokonać próbkowania sygnału. Otrzymane wyniki należy zsumować a następnie uśrednić przez przesunięcie bitów w prawo o 5 bitów co odpowiada jej podzieleniu przez 2^5 (tzw. decymacja).

Obliczenie rozdzielczości rozszerzonej

W prezentowanym przykładzie, pomiar wejścia temperaturowego numer 1 odbywa się z rozdzielczością 0,007 stopnia na bit (tzw. oversampling), natomiast pomiar wejścia temperaturowego numer 2 odbywa się ze standardową rozdzielczością 0,2 stopnia na bit.

Prezentowany przykład napisany został w języku C w Atmel Studio 6.2:

1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
21
22
23
24
25
26
27
28
29
30
31
32
33
34
35
36
37
38
39
40
41
42
43
44
45
46
47
48
49
50
51
52
53
54
55
56
57
58
59
60
61
62
63
64
65
66
67
68
69
70
71
72
73
74
75
76
77
78
79
80
81
82
83
84
85
86
87
88
89
90
91
92
93
94
95
96
97
98
99
100
101
102
103
104
105
106
107
108
109
110
111
112
113
114
115
116
117
118
119
120
121
122
123
124
125
126
127
128
129
130
131
132
133
134
135
136
137
138
139
140
141
142
#include <avr/io.h>
#include "avr/interrupt.h"
#include "avr/pgmspace.h"
#include "global.h"
#include "lcd.h"
#include "i2c.h"
#include "procedury.h"
#include <util/delay.h>
 
 
volatile unsigned char BCD[5];
     
int main(void)
{
 unsigned char godziny, minuty,sekundy;
 unsigned long przetwornik1, przetwornik2, temp1, temp2;
 unsigned int c,b;
 sei();
 
 i2c_init();    //Inicjalizacja magistrali I2C
  
 DDRB=0xff;     //magistrala danych jako wyjscie
 sbi(DDRD,4);   //aktywacja pinu wyswietlacza
 sbi(DDRC,6);   //aktywacja pinu ING1 odczytu wejsc cyfrowych
 sbi(DDRC,7);   //aktywacja pinu do sterowania wyjsc cyfrowych
 sbi(DDRA,4);   //aktywacja pinu /OE wyjsc cyfrowych
 sbi(PORTC,6);  //stan wysoki na ING1
 sbi(PORTC,7);  //stan wysoki na OUTG1
 cbi(PORTA,4);  //stan niski na /OE (sterowanie wyjsc cyfrowych mozliwe)
 sbi(PORTD,4);  //stan wysoki na DISPLAY
 
 cbi(DDRC,2);   //pin PC2 wejscie (klawisz UP)
 cbi(DDRC,3);   //pin PC2 wejscie (klawisz LEFT)
 cbi(DDRC,4);   //pin PC2 wejscie (klawisz DOWN)
 cbi(DDRC,5);   //pin PC2 wejscie (klawisz RIGHT)
 cbi(DDRA,6);   //pin PC2 wejscie (klawisz ESC)
 cbi(DDRA,7);   //pin PC2 wejscie (klawisz OK)
 
 cbi(PORTA,0);
 cbi(PORTA,1);
 cbi(PORTA,2);
 cbi(PORTA,3);
  
 //Odpowiednie skonfigurowanie przetwornika w mikrokontrolerze
 ADCSRA=(1<<ADEN)|(1<<ADPS2)|(1<<ADPS1)|(1<<ADPS0);
 c=0;
 
 LCD_init();    //inicjalizacja wyświetlacza LCD
 LCD_clear();   //wyczyszczenie wyświetlacza
 
 //zapisanie w pamięci wyświetlacza znaczka stopnie Celsjusza
 LCD_send_0(0b01000000);
 LCD_putchar(0b0011100);
 LCD_putchar(0b0010100);
 LCD_putchar(0b0011100);
 LCD_putchar(0b0000000);
 LCD_putchar(0b0000111);
 LCD_putchar(0b0001000);
 LCD_putchar(0b0001000);
 LCD_putchar(0b0000111);
 LCD_send_0(0x080);
 wait(20000);
 
 while(1)
 {
    c++;   
 
/*
Pętle w której dokonywany jest odczyt z przetwornika
*/     
    if (c==100)
    {
        przetwornik1=0;
        przetwornik2=0;
        c=0;
         
        //W tej pętli dokonywany jest oversampling wejścia temperaturowego numer 1
        for (b=0;b<1024; b++)
        {
            ADMUX=(1<<REFS1)|(1<<REFS0)|(1<<MUX1);
            ADCSRA=(1<<ADSC)|(1<<ADEN)|(1<<ADPS2)|(1<<ADPS1)|(1<<ADPS0);
            loop_until_bit_is_set(ADCSRA, ADIF);
            ADCSRA |= _BV(ADIF); /* wyzeruj bit */
            przetwornik1=przetwornik1+ADC;
        }
     
        //Poniżej standardowy odczyt temperatury z wejścia numer 2
        przetwornik2=0;
        ADMUX=(1<<REFS1)|(1<<REFS0)|(1<<MUX1)|(1<<MUX0);
        ADCSRA=(1<<ADSC)|(1<<ADEN)|(1<<ADPS2)|(1<<ADPS1)|(1<<ADPS0);
        loop_until_bit_is_set(ADCSRA, ADIF);
        ADCSRA |= _BV(ADIF); /* wyzeruj bit */
        przetwornik2=przetwornik2+ADC;
     
    }
          
    //Odpowiednie przeliczenie odczytu według wzoru numer 2
    temp1=((przetwornik1-91136)>>5)*7/10;
    if (temp1<5000) temp1=5000-temp1;
    if (temp1>=5000) temp1=temp1-5000;
 
    //Odpowiednie przeliczenie odczytu według wzoru numer 1
    temp2=(przetwornik2-89)*225/100;
    if (temp2<500) temp2=500-temp2;
    if (temp2>=500) temp2=temp2-500;
     
    bcd8(temp1); //zamiana hex na BCD
     
    LCD_xy(1,2);
     
    //wyświetlenie temperatury numer 1 na wyświetlaczu
    LCD_putchar(0x030+(BCD[1]>>0x004));
    LCD_putchar(0x030+(BCD[1]&0x00f));
    LCD_putchar(',');
    LCD_putchar(0x030+(BCD[0]>>0x004));
    LCD_putchar(0x030+(BCD[0]&0x00f));
    LCD_putchar(0);
     
    bcd8(temp2);//zamiana hex na BCD
     
    //wyświetlenie temperatury numer 2 na wyświetlaczu
    LCD_putchar(' ');
    LCD_putchar(0x030+(BCD[1]&0x00f));
    LCD_putchar(0x030+(BCD[0]>>0x004));
    LCD_putchar(',');
    LCD_putchar(0x030+(BCD[0]&0x00f));
    LCD_putchar(0);
                 
    //Odczyt zegara RTC
    sekundy=read_ram_rtc(0x002);
    minuty=read_ram_rtc(0x003);
    godziny=read_ram_rtc(0x004);
     
    //Wyświetlenie aktualnego czasu na wyświetlaczu LCD
    LCD_xy(9,1);
    LCD_LCZB(godziny);
    LCD_putchar(':');
    LCD_LCZB(minuty);
    LCD_putchar(':');
    LCD_LCZB(sekundy);
 }
}

Film prezentujący działanie oversampling-u w praktyce

Scroll to Top