KTvPr_Metodocheskie_ukazania_KP

МИНОБРНАУКИ РОССИИ

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования

«Ижевский государственный технический университет имени М.Т. Калашникова»

(ФБГОУ ВПО ИжГТУ имени М.Т. Калашникова)

В.А. Стрижак, к.т.н., доцент каф. ПиМКК

Методические указания к курсовому проектированию

Рекомендовано учебно-методическим советом ФГБОУ ВПО «ИжГТУ имени М.Т. Калашникова» для использования в учебном процессе в качестве учеб-

но-методических материалов (элемент ЭУМКД) для студентов, обучающихся по направлению 200100.62 «Приборостроение», профиль: «Приборы и мето-

ды контроля качества и диагностики» при изучении дисциплины: «Компью-

терные технологии в приборостроении»

Ижевск 2013

1 Введение

При проектировании устройств неразрушающего контроля, как прави-

ло, решается множество инженерных и научных задач. Одной из инженерных задач является разработка системы регистрации. Современные устройства неразрушающего контроля используют цифровой способ регистрации сигна-

лов. Это позволяет значительно расширить область применения прибора, по-

высить его эксплуатационные качества, применить сложные математические алгоритмы обработки сигналов и т.д. По способу построения устройств не-

разрушающего контроля можно выделить два подхода:

1 – построение устройства с использованием открытой процессорной платформы. Используется готовый компьютер, к которому подключается элементы ввода/вывода сигналов и узлы адаптации датчика. В целом такое устройство требует меньше времени на разработку ввиду использования уже готовых электронных узлов и компонентов, а также возможностью работы в программных средах высокого уровня на этапе разработки и отладки интер-

фейса и алгоритмов регистрации и обработки сигналов. Примером таких уст-

ройств являются лабораторные макеты, системы промышленного монито-

ринга и т.д.

2 - построение устройства с использованием закрытой процессорной архитектуры. Такие приборы оптимизируются как портативные, переносные,

автономные, мобильные, ручные, в том числе в различных вариациях. При-

мером такого устройства может быть типичный УЗ дефектоскоп. Как прави-

ло, при разработке такого устройства существует этап моделирования систе-

мы, проходящий на лабораторной установке, построенной на базе открытой процессорной платформы.

Данная курсовая работа посвящена решению часто встречающихся в инженерной практике задач построения системы регистрации на базе персо-

нального компьютера. Такая система может быть предназначена для даль-

нейшей обработки экспериментальных данных, полученных в результате

всевозможных научных опытов, лабораторных замеров и технических испы-

таний.

Курсовой проект может стать фрагментом выпускной квалификацион-

ной работы бакалавра.

2 Задание к курсовому проектированию

Задание выдается преподавателем индивидуально по возможности в рамках темы выпускной квалификационной работы. При необходимости те-

ма согласуется с руководителем выпускной квалификационной работы сту-

дента. Примеры тем курсовых проектов:

•Разработайте на базе персонального компьютера систему регист-

рации сердечной деятельности пациента в течение 24 часов.

•Разработайте на базе персонального компьютера устройство ре-

гистрации и наблюдения за температурой на полу ангара 100*50 метров с

точностью 0,1°С и разрешением 0,5 метра.

•Разработайте на базе персонального компьютера устройство дли-

тельного (1 год) мониторинга атмосферного давления.

•Разработайте на базе персонального компьютера устройство ре-

гистрации шумов Баркгаузена (считать устройство перемагничивания и уси-

ления готовой).

• Разработайте комплект оборудования для построения пункта сбора информации в тепловом узле домовой отопительной системы.

В процессе работы над курсовым проектом производится разработка узла ввода информации в персональный компьютер. Предполагается, что все прочие узлы устройства уже разработаны или разрабатываются вне рамок те-

кущей задачи.

3 Перечень разрабатываемых вопросов

Перечень вопросов считающихся разрешенных ранее или не подлежа-

щих разработке:

1.Конструкция датчика.

2.Узлы адаптации датчика и нормализации сигналов.

3.Технология проведения контроля, испытания, программа проведения измерений.

4.Программное обеспечение.

Разработке подлежат следующие вопросы:

1. Метод проведения измерений, перечень регистрируемых сигналов,

временная диаграмма связи сигналов управления и регистрируемых сигна-

лов.

2. Описание свойств регистрируемых и управляющих сигналов (ампли-

туда, спектр, длительность, обоснование необходимой разрешающей способ-

ности по амплитуде, частоте и длительности). Декларация требований к бло-

кам регистрации и управления.

3. Структурная схема устройства. Описание назначения и функций ка-

ждого блока. Выставление требований к каждому узлу, описание критичных технических параметров. Выбор узлов и блоков из представленных на рынке элементов. Обоснование выбора.

4. Блок схема программного обеспечения. Оценочный расчет парамет-

ров быстродействия технических средств и объемов памяти, необходимых для работы.

4 Последовательность расчетов

После оценки общих параметров устройства, используемой технологии получения информации, временной диаграммы работы узлов и блоков необ-

ходимо рассчитать требования к системе регистрации. Основные требования определяются параметрами регистрируемого сигнала:

разрешающая способность по времени (частота дискретизации АЦП)

разрешающая способность по амплитуде (единица младшего разряда АЦП)

время регистрации и объем памяти

динамический диапазон регистрируемых сигналов.

4.1 Оценка параметров АЦП

Оценку параметров АЦП можно провести через моделирование исход-

ного сигнала в математических средах, например в программной среде

MathCAD. Создайте модель всего сигнала или его фрагмента с использова-

нием функций программной среды MathCAD. Оцените ширину спектра ва-

шего сигнала, или определите максимальную частоту спектра, выше которой гармоники вашего сигнала несущественны. Следует учесть, что используе-

мая в ваших расчетах частота дискретизации должна быть, по крайней мере,

на 2 порядка выше вашей ожидаемой максимальной частоты спектра.

Необходимо найти значение ошибки вносимой в исследуемый сигнал квантованием по амплитуде и частотной дискретизацией. Погрешность дис-

кретизации (t) или соответственно восстановления исходной функции по существующим отсчетам имеет вид , где - исходная

функция, - зарегистрированный сигнал представленный значениями от-

счетов на временной оси [4]. В крайне упрощенном виде, оценка по-

грешности может быть произведена с использованием критерия наибольшего отклонения:

Получение квантованного сигнала в программной среде MathCAD

можно осуществить через функцию округления. Если исходный сигнал

находится в диапазоне ±1, то после регистрации его 8 разрядным АЦП со шкалой амплитуд ±1 (единица младшего разряда = 1/28-1) сигнал будет вы-

глядеть как , где – функция округле-

ния в программной среде MathCAD. В случае однополярного сигнала, исход-

ный сигнал находится в диапазоне 0÷1, после регистрации его 8 разряд-

ным АЦП со шкалой амплитуд 0÷1 (единица младшего разряда = 1/28) сигнал будет выглядеть как .

Таким образом, задавшись исходным сигналом, описанным достаточно точно, проведя его фильтрацию на частоте в два раза меньше предполагае-

мой частоты дискретизации и проведя округление восстановленного сигнала с точностью соответствующей разрядности АЦП возможно оценить погреш-

ность его регистрации с использованием критерия наибольшего отклонения.

Значением погрешности наибольшего отклонения необходимо задаться са-

мостоятельно исходя из параметров регистрируемых сигналов, и задач ре-

шаемых разрабатываем оборудованием.

4.2 Оценка длительности проведения регистрации и объема зареги-

стрированной информации

Первичная оценка времени измерения определяется физическими про-

цессами, формирующими регистрируемые сигналы (например, при реализа-

ции акустической толщинометрии, это время распространения акустического импульса от поверхности листа до противоположного торца и обратно). Ре-

зультирующий размер временной оси необходимо взять с учетом длительно-

сти импульсных сигналов, переходных процессов в системе или с запасом в

50% от первичной оценки.

Расчет объема памяти следует проводить исходя из ожидаемой разряд-

ности АЦП. Следует учитывать, что сжатия сигналов при передаче информа-

ции от АЦП в компьютер не производится. Объем передаваемой информации рассчитывается в байтах (8 бит). Всякий не полный байт дополняется только нулями. Таким образом, 10-и битный АЦП использует 2 байта для передачи одного информационного слова.

После регистрации дальнейшая обработка информации в компьютере производится с использованием вещественного представления числа. Дан-

ный тип чисел востребован в случае необходимости учета ошибок связанные с потерей точности при значительных динамических диапазонах обрабаты-

ваемых значений. Для оценки размера массива данных в вещественном фор-

мате рекомендуется использовать формат Real Types Extended длинной одно-

го числа в 20 байт. Кроме того, при расчетах иногда необходимо хранить два массива чисел, исходный и результирующий вариант данных.

Необходимо определить место хранения данных. Для медленно ме-

няющихся процессов производительности подсистемы долговременной па-

мяти (HDD) достаточно. Расчеты лучше проводить над данными размещен-

ными в оперативной памяти компьютера. После проведения измерений ре-

зультаты должны быть перемещены в долговременную память. Движение информации при регистрации и обработке данных должно быть отражено в блок схеме программного обеспечения.

5 Выбор компонентов

5.1 Общие замечания

Рынок средств регистрации можно разделить на рынок промышленного оборудования и рынок встраиваемых средств, в том числе в бытовой компь-

ютер. Рынок промышленного оборудования гораздо богаче по перечню кон-

структивных форм. Описание стандартов промышленного оборудования, на-

пример «Евромеханики» не входит в рамки курсовой работы. Основой изме-

рительного комплекса в разрабатываемой системе должен быть персональ-

ный компьютер. С бытовым компьютером средства регистрации могут рабо-

тать только в рамках существующих стандартов. На сегодняшний день эта область ограничена стандартами USB, PCI, PCI-E, LAN, Wi-Fi. Все прочие интерфейсы необходимо будет согласовывать через дополнительные пере-

ходники, например RS-232 (COM) ↔ PCI-E. Таким образом, выбор платы АЦП производится на основании полученного при расчете значения частоты дискретизации и возможного интерфейса сопряжения платы АЦП с персо-

нальным компьютером. Тип используемого интерфейса необходимо отразить в структурно функциональной схеме устройства.

Выбор платы АЦП может быть произведен как на сайте российского производителя, специализирующейся на данном типе оборудования

(http://www.rudshel.ru, http://www.lcard.ru или http://www.signal.ru), так и на сайте системного интегратора средств автоматизации (http://www.prosoft.ru, http://www.icos.ru, www.home.adgilent.com и т.д.). В курсовом проекте необ-

ходимо показать три возможные модели АЦП, отвечающие условиям поиска.

Выбор необходимо выполнить в рамках интерфейсов поддерживаемых пер-

сональным компьютером. В случае несовпадения интерфейсов выбор пере-

ходника (адаптера, контроллера) является обязательным.