Магистерская диссертация Суслов А.В. ИВ2 ДВГУПС 2017 (Автоматизированная система мониторинга температуры грунта в районах вечной мерзлоты вдоль железных и автомобильных дорог), страница 9

Из всего вышесказанного можно сделать вывод, что с точки зрения пониженного энергопотребления, микроконтроллеры фирм Motorola и AVR являются более предпочтительными, чем PIC-контроллеры. Это обусловлено наличием у данных микроконтроллеров двух режимов пониженного энергопотребления, тогда как у PIC-контроллеров он только один.

1. Требования к интерфейсам микроконтроллера

Одной из важнейших особенностей микроконтроллера в составе системы будет является наличие интерфейса. Интерфейс служит для двух целей: первая это организация связи системы с другими приёмным модулем (с компьютером или интеллектуальным датчиком), а вторая – связь микроконтроллера с другими микросхемами на плате. В настоящее время, большое количество интегральных микросхем имеют интерфейсы для обмена данными, например, микросхемы памяти, АЦП, ЦАП. Это значительно упрощает схемотехнику платы, и что особенно важно для автономных устройств - уменьшает ее размер. В основном, для данных целей применяются последовательные интерфейсы, так как, по сравнению с параллельными, требуется малое число проводов связи или малое число дорожек платы. Интерфейсы можно планируется разделить на периферийные и приборные. Первые являются уже стандартными и общепринятыми интерфейсами, а вторые созданными специально для конкретного случая. Рассмотрим характеристики основных периферийных интерфейсов в средних семействах микроконтроллеров фирм Motorola, Atmel, Microchip.

В семействе микроконтроллеров HC08 фирмы Motorola существуют три модуля последовательных интерфейсов: SPI08, SCI08, msCAN08. Первый модуль реализует интерфейс SPI. SPI-шина представлена тремя общими линиями связи и линией выбора ведомого устройства. Только одно из устройств может быть ведущим, а остальные должны быть определены как ведомые. Для микроконтроллеров семейства HC08 модуль SPI08 обладает следующими характеристиками: поддерживает 2 режима работы (ведущий и ведомый); максимальная скорость обмена в ведущем режиме составляет 4 Мбит/с, а в ведомом – 8 Мбит/с; возможность программной настройки частоты обмена; генерирует запросы на прерывания с разными векторами; генерирует 2 флага нарушения работы. Модуль SCI08 служит для реализации последовательного асинхронного интерфейса SCI и предназначен для обмена с устройствами верхнего уровня. Этот модуль обладает следующими параметрами: дуплексный стандартный асинхронный режим обмена; программная настройка частоты; максимальная скорость обмена равна 131 кбит/с; генерирует запросы на прерывания с разными векторами; генерирует 4 флага нарушения работы. Модуль последовательного интерфейса msCAN08 формирует обмен данными по протоколам CAN2.0A и CAN2.0B. Данный модуль использует 2 вывода микроконтроллера, для подключения к CAN-шине требуется специализированная микросхема. Модуль msCAN08 обладает следующими характеристиками: максимальная скорость передачи - 1 Мбит/с; поддержка запросов данных от других устройств; двойная буферизация принимаемых кадров; тройная буферизация передаваемых кадров [10].

Часть микроконтроллеров AVR также поддерживают интерфейс SPI. Кроме того, в их состав входит встроенный универсальный асинхронный приемопередатчик UART. Основные характеристики данного модуля: генерация произвольных значений скорости; высокая скорость при низких тактовых частотах; фильтрация шума; определение переполнения; детектирование ошибок кадра; раздельные вектора прерывания.

1. Результат сравнения микроконтроллеров

Таким образом, из всего вышесказанного можно сделать вывод, что микроконтроллеры фирмы Motorola семейства HC08 наиболее предпочтительны для использования в системе мониторинга температур. Кроме того, данные микроконтроллеры являются одними из самых надежных в мире, за что и были отмечены большим количеством наград. Выбранный микроконтроллер Motorola МС68HCO8Gр.

1. Разработка принцпиальной электрической схемы и топология печатных плат

Блок реализован на основе МК Motorola, к контроллеру подключены приёмно-передающий модуль (П/П) через разъём J1. Питание П/П модуля осуществляется через разъём J7 управляемое контроллером через реле L1 для отключение приёмного передатчика в режиме ожидания.

Также к модулю подключается приёмник сигнала синхронизации через разъём J5. Датчики температуры подключаются параллельно по интерфейсу J2с через разъём J6.

В качестве запоминающего устройства используется sd-карта DD1 подключённая к микроконтроллеру DD2 через интерфейс SPI.

Для настройки и обслуживания блока используется разъём J2 сервис позволяющий подключить блок к персональному компьютеру ПК через адаптер USB/USART интерфейс.

Питание модуля осуществляется от батареи через разъём J3.

Формирование необходимого напряжения питания производится с помощью импульсного преобразователя питания реализованного на микросхеме DA3 .

Принципиальная электрическая схема приведена в приложении В.

Исходя из принципиальной электрической схемы создана топология печатных плат для реализации на практике. топология печатных плат разработана способом химического травления. Разводка принципиальной логической схемы в топологию печатных плат произведена в программе «Dip Trace Layout». Основная плата системы является двухсторонней (ДПП). Топология верхнего слоя основной платы представлена на рисунке 26, 3d модель схемы на рисунке 27.

Рисунок 26 – Топология печатной платы

Рисунок 27 – 3d модель печатной платы

1. Макет устройства

После того как монтаж закончен собирается тестовый макет системы Перед первым запуском необходимо проверить всю схему на наличие замыканий. В случае если этого не сделать, плата выйдет из строя. Проделать эту операцию можно мультиметром или осциллографом. В случае использования осциллографа можно получить дополнительную информацию о амплитудно-частотных характеристиках на различных участках цепи, что даст неотъемлемое преимущество в диагностировании платы на работоспособность и удовлетворение всем заявленным характеристикам.

Заключение

В ходе работы были рассмотрены вопросы изменения климата и последствий деградации вечной мерзлоты. Изучены проблемы строительства сооружений на вечно мёрзлых грунтах. Сделан вывод о стратегическом значении БАМа. Также исследованы Забайкальская, Амурская, Норильская, Байкало-Амурская (БАМ), Амуро-Якутская (АЯМ), Ямальская и некоторые другие железные дороги пролегающие в районах вечной мерзлоты. Рассмотрены вопросы факторов влияющих на изменения климата. Изучена проблема применимо к другим сооружениям. Подведён итог основных проблем затрудняющей проведения подобных исследований. Выдвинуты основные требования к разрабатываемой системе. Предложен метод снижения погрешности температурных датчиков.

Строительство БАМа решило задачи общенационального уровня:

– открыт доступ к природным ресурсам огромного региона;

– обеспечены транзитные перевозки;

– создан кратчайший межконтинентальный железнодорожный маршрут Восток-Запад, проходящий на протяжении 10 тыс. км по российским железным дорогам;

– в военно-стратегическом смысле магистраль парирует возможные сбои и перерывы в движении поездов на Транссибе.

В последние годы роль БАМа значительно возросла, это обусловлено тремя основными факторами. Во-первых, после распада Советского Союза вместе с отделившимися республиками Россия лишилась значительной части ресурсов. Во-вторых, сейчас страна стала ощущать дефицит ресурсов. В-третьих, нарастает демографическая асимметрия. Плотность населения по разные стороны границы – в России и Китае – разнится в десятки раз.

В настоящее время БАМ (приложение А) работает на пределе своей пропускной способности, которая составляет около 16 млн. тонн грузов в год. Ведётся модернизация магистрали с целью значительного увеличения её пропускных возможностей.

Факторы влияющие на вечную мерзлоту:

– температура воздуха;

– солнечная радиация;

– снежный покров;

– инфильтрация осадков;

– фильтрация;

– растительный покров;

– водоток;

– глобальные изменения климата.

Актуальность определена:

– продолжающимися деформациями сооружений;

– деградацией вечной мерзлоты на БАМе ;

– глобальным изменением климата;

– не полным учетом факторов влияния в имеющихся моделях;

– недостатка данных в своевременном прогнозировании.

Основываясь на требованиях и факторах влияния система будет в виде трех независимых уровней взаимодействующих друг с другом через беспроводные каналы связи. Что обеспечит необходимую скорость в получении данных и соответственно в быстром пополнении массива. С помощью которого можно будет используя компьютерное моделирования заблаговременно предугадывать аварийный участки.

Первый уровень системы представлен устройствами измерения температуры (термометрические скважины), состоящих из набора датчиков температуры расположенных на разной глубине, приёмо-передающего модуля, управляющего контроллера и элемента питания. Термометрические скважины располагаются вдоль железных или автомобильных дорог и передают данные на приёмные устройства расположенные на поездах или автомобилях. Приемные устройства составляют второй уровень системы и пересылают данные на сервер при попадании в зону действия общественных беспроводных сетей (GSM/GPRS, Wi-Fi и т.д.). Третий уровень системы представлен в виде сервера выполняющего обработку и систематизацию данных.

Практическая значимость разработки состоит в том, что данная система будет обладать достаточной гибкостью и сможет примется практически на любых участка, где необходим мониторинг температур.

На данный момент из состава системы разработана общая концепция имеющая явные конкурентные преимущества, произведены расчёты для подбора модулей и компонентов с последующим итоговым выбором. Разведена плата основной микросхемы устройства. В дальнейшем планируется продолжить разработку данной системы и выполнить следующие задачи:

– изготовить полнофункциональный макет системы;

– провести полевые испытания системы (на базе Тындинской мерзлотной станции);

– разработать программное обеспечение для приёма, обработки и хранения данных на сервере.

Список использованных источников

1 Шишаев, М. Г Механика мерзлых грунтов / М. Г. Шишаев, С. А. Потаман // Труды Кольского научного центра РАН. – 2010. – №3. – С. 100-120.

2 Мазуров, Г. П Физико-механические свойства мерзлых грунтов / М. Г. Алексеева, С. А. Шепелев // Труды Кольского научного центра РАН. – 2012. – №3. – С. 70-74.

3 Балобаев, В. Т О проблемах градостроительства в криолитозоне / М. Г. Шишаев, С. А. Алексеева // Труды Кольского научного центра РАН. – 2000. – №5. – С. 40-94.

4 Григорьев, Г. П Метод полевого определения температуры / М. Г. Григорьев, С. А. Потаман // Научный центр РАН. – 209. – №3. – С. 55-56.

5 Шепелев, Г. П Градостроительства в криолитозоне / М. Г. Шепелев, С. А. Шепелев // Труды Кольского научного центра РАН. – 2007. – №3. – С. 60-64.

6 Jayakumar G. Ad Hoc Mobile Wireless Networks Routing Protocols – AReview / G. Jayakumar, G. Gopinath // Journal of Computer Science. – 2007. – Volume 3 No. 8.– С. 574-582.

7 Patidar M. Performance Analysis of Reactive & Proactive Routing Protocols for Vehicular Adhoc Networks with Varying Speed of Nodes / M. Patidar, A. Patidar // International Journal of Computer Science and Information Technologies. – 2014. – Volume 5 No. 3.– С. 3924-3927.

8 Фадеев А.Б. Метод конечных элементов в геомеханике. М.: Недра, 1987.

9 Сахаров И.И. Физикомеханика криопроцессов в грунтах и ее приложения при оценке деформаций зданий и сооружений: Автореф. дисс. … д-ра техн. наук. Пермь, 1995. – 43 с.

10 Программная система для создания моделей и решения задач строительства и реконструкции с помощью МКЭ «FEM models»/ В.М. Улицкий, А.Г. Шашкин, К.Г. Шашкин, В.Н. Парамонов// Реконструкция городов и геотехническое строительство. 2000. № 2.

11 Tsytovich N.A., Kronik J.A. Interrelationship of the principal physicomechanical and thermophysical properties of coarse grained frozen soil. Bochum, 1978. Eng. Geol., 1979, № 13, p. 163–167.

12 Кроник Я.А. Термомеханические модели мерзлых грунтов и криогенных процессов// Реология грунтов и инженерное мерзлотоведение. М.: Наука, 1982. С. 200–211.

13 СНиП II-3–79*. Строительная теплотехника/ Госстрой России. М.: ГУП ЦПП, 2000.

14 СНиП 23-01–99. Строительная климатология/ Госстрой России. М.: ГУП ЦПП, 2000.