Сапожников Пояснительная записка (1230236), страница 4

Просмтор этого файла доступен только зарегистрированным пользователям. Но у нас супер быстрая регистрация: достаточно только электронной почты!

Текст из файла (страница 4)

Акселерометр ADXL345 помещен в герметичный корпус цилиндрической формы с магнитом с одного торца и проводом для подключения к измерительному блоку.

4.2.2 Измерительный дальномер

Для контроля перемещений используются дальномеры. Дальномер – это измерительное устройство, служащее для точного определения расстояния от наблюдателя до объекта измерения. Дальномеры по типу действия делятся на пассивные и активные, а каждый из этих типов, в свою очередь, подразделяется на:

а) активные:

1. звуковые дальномеры;

2. световые дальномеры;

3. лазерные дальномеры.

б) пассивные:

1. оптические дальномеры;

2. механические дальномеры;

3. монокулярные дальномеры;

4. стереоскопические дальномеры.

Перемещения в поезде возникают в межвагонном пространстве. Общее перемещение складывается из зазоров автосцепки и хода поглощающего аппарата. Зазор между автосцепками доходит до 60 мм, ход поглощающего аппарата 130 мм. Из-за суровых условий работы, а именно, из-за осадков, низкой температуры, дорожной пыли использование механического дальномера не представляется возможным из-за низкой надежности в таких условиях работы. Лазерные и оптические дальномеры тоже имеют свои недостатки, такие как высокая стоимость и необходимость содержать в чистоте излучатель и приемник, поэтому в данном случае оптимальным вариантом является использование ультразвукового дальномера. Ультразвуковой дальномер работает путем направления испускаемого звука, неслышимого окружающими, на какой-то предмет, который, в свою очередь, отражает его (рисунок 4.3), после чего улавливает приемным блоком и производит расчет времени, которое понадобилось для преодоления измеряемого расстояния. При расчете расстояния необходимо учитывать тот факт, что скорость звука напрямую зависит от плотности воздуха.

В системе применён ультразвуковой датчик HC-SR04, позволяющий измерять расстояние до преграды в диапазоне от 2 до 400 см [20]. Он представляет собой плату, на которой размещены излучатель и приемник ультразвука и управляющая электронная схема. Датчик, изображенный на рисунке 4.4, имеет небольшие габариты и простой интерфейс: два вывода питания, один вход и один выход.

Рисунок 4.3 – Принцип действия ультразвукового дальномера: 1 – генератор; 2 – ультразвуковой передатчик; 3 – передаваемые ультразвуковые импульсы; 4 – измеряемый объект;

5 – отраженная волна (эхо); 6 – ультразвуковой приемник; 7 – вычислитель

Рисунок 4.4 – Ультразвуковой дальномер

Плата датчика имеет 4 вывода:

- Vcc – положительный контакт питания;

- Trig – цифровой вход. Для запуска измерения необходимо подать на этот вход логическую единицу на 10 мкс. Следующее измерение рекомендуется выполнять не ранее чем через 50 мс;

- Echo – цифровой выход. После завершения измерения, на этот выход будет подана логическая единица на время, пропорциональное расстоянию до объекта;

- GND – отрицательный контакт питания.

На выводы питания подается постоянное напряжение 5 В. Датчик потребляет в рабочем режиме 15 мА.

Вход TRIG подключается к любому выводу микроконтроллера. На этот вывод нужно подавать импульсный цифровой сигнал длительностью 10 мкс. По сигналу на входе TRIG датчик посылает пачку ультразвуковых импульсов.

После приема отраженного сигнала, датчик формирует на выводе ECHO импульсный сигнал, длительность которого пропорциональна расстоянию до преграды. Вывод ECHO подключается к выводу внешнего прерывания или входу схемы захвата таймера, в зависимости от метода измерения длительности сигнала микроконтроллером.

Временная диаграмма работы датчика HC-SR04 показана на рисунке 4.5.

Рисунок 4.5 – Временная диаграмма работы датчика HC-SR04

Расстояние рассчитывается по следующей формуле:

, (4.1)

где T_us – длительность эхо импульса в микросекундах, а 58 – константа.

Характеристики дальномера представлены в таблице 4.3.

Таблица 4.4 – Характеристики датчика HC-SR04

4.2.3 Измерительный контроллер

При подготовке измерительного устройства в качестве измерительного контроллера была выбрана платформа MyRIO производства корпорации National Instruments. Данное устройство имеет, помимо контроллера реального времени, микросхему ПЛИС, позволяющую реализовать надежный цифровой канал связи высокопроизводительную обработку измерительных данных [3].

NI myRIO (рисунок 4.5) – компактное устройство, предназначенное специально для разработки комплексных инженерных систем.

Основанный на той же технологии, что и популярная платформа NI CompactRIO, NI myRIO меньше по размерам и удобней в эксплуатации. NI myRIO построен на базе технологии Zynq (система на кристалле SoC) от Xilinx, которая сочетает в себе двухъядерный ARM Cortex-A9 процессор и ПЛИС с 28000 программируемыми логическими ячейками. Используя возможности графической среды программирования NI LabVIEW, можно программировать ПЛИС и разрабатывать системы реального времени, что предоставляет гибкость для создания прототипов.

NI myRIO имеет 10 аналоговых входов, 6 аналоговых выходов и 40 линий цифрового ввода/вывода. Платформа включает в себя Wi-Fi модуль, трехосевой акселерометр и несколько программируемых светодиодов и все это в прочном, защищенном корпусе.

Платформа NI MyRIO также совместима со всеми мини-системами NI и со многими сторонними датчиками и приводами. В дополнение к обширной экосистеме аппаратных средств, NI myRIO программируется в различных средах, в том числе LabVIEW и C/C ++.

Рисунок 4.5 – Внешний вид контроллера

4.3 Компоновка устройства

Разрабатываемое устройство продольной динамики состоит из бортовых измерительных блоков, рабочей станции оператора и программного обеспечения сбора данных. Структурная схема системы представлена на рисунке 4.6.

Рисунок 4.6 – Структурная схема системы

В состав системы входят бортовых измерительные блоки, которые устанавливаются на вагоны, их распределение происходит равномерно по всей длине поезда. Число узлов при необходимости может быть легко увеличено. Конфигурация системы представлена на рисунке 4.7.

Рисунок 4.7 – Конфигурация системы

Рабочая станции оператора ставится в вагон-лабораторию. На ней имеется управляющий компьютер, который осуществляет настройку и сбор данных для чего к нему подключаются соответствующие измерительные преобразователи с помощью соединительных кабелей.

Также к управляющему компьютеру подключаются GPS/ГЛОНАСС приемник и метеостанция, для точного определения места положения и времени проведения испытаний.

Бортовые измерительные блоки, изображенные на рисунке 4.8, выполнены в виде герметичных ударопрочных влагозащищенных кейсов, внутри которых находятся: аккумуляторная батарея; влагозащищенные кабельные соединители для подключения внешних первичных измерительных преобразователей; печатные платы с разъёмами для установки акселерометров во внутрь бортового блока; контроллер сбора и первичной обработки измерительных данных NI MyRIO, который в свою очередь выступает в роли коммуникационного оборудования для передачи данных на рабочую станцию оператора, а также производит запись в установленный в него USB-flash накопитель.

Рисунок 4.8 – Бортовые измерительные блоки и их подключение

Внутреннее устройство измерительного блока представлено на рисунке 4.9.

Рисунок 4.9 – Компоновка бортового блока измерений

Монтаж датчиков системы производится согласно схемы, представленной на рисунке 4.10. Все датчики, кроме акселерометров, крепятся с помощью нейлоновых стяжек за предназначенные для этого приливы корпусов и отверстия. Акселерометры крепятся соосно движению поезда с помощью мощных магнитов, являющихся частями корпуса датчиков.

Рисунок 4.10 – Схема монтажа датчиков на вагоны: 1 – бортовой измерительный блок;

2 – акселерометры; 3 – ультразвуковой дальномер; 4 – датчик температуры;

5 – датчики давления

Перед монтажом все комплектующие осматриваются на наличие повреждений. Бортовая система крепится к кузову вагона с помощью магнитов. Дополнительно закрепляется с помощью тросового замка через ручку кейса.

Датчики измерения ускорений располагаются по разным сторонам автосцепного устройства, между вагонами или секциями локомотива, где они фиксируются при помощи магнитного крепежа. На одном из вагонов (секций локомотива) располагается ультразвуковой датчик измерения расстояния.

После монтажа датчиков включается тумблер питания на бортовом измерительном блоке, при этом начинается сбор данных со всех датчиков и запись их в память. Усредненные значения передаются на вагон-лабораторию через беспроводной интерфейс. Передача данных не гарантируется и зависит от условий радиоприема. После того, как испытания закончены, бортовые системы сбора данных снимаются и подключаются к зарядному устройству, а также по очереди подключаются к компьютеру для передачи всей записанной информации.

5 РАЗРАБОТКА ПРОГРАММНОГО ОБЕСПЕЧЕНИЯ УСТРОЙСТВА

5.1 Среда программирования

В качестве среды создания программного обеспечения был выбран один из основных продуктов компании National Instruments – графическая среда разработки и платформа для выполнения программ LabVIEW [4]. LabVIEW — это аббревиатура, которая расшифровывается как Laboratory Virtual Instrumentation Engineering Workbench. Платформа ориентирована на лабораторные исследования, измерения и сбор данных. LabVIEW позволяет продуктивно сочетать различные подходы к программированию и объединять разные аппаратные платформы в единый комплекс. Помимо самой возможности программирования среда LabVIEW предоставляет в распоряжение пользователя широкий спектр инструментов и библиотек: от интерактивных мастеров настройки и пользовательских интерфейсов до встроенных компилятора, компоновщика и средств отладки.

LabVIEW реализует концепцию графического программирования G, поэтому исходный код представляет собой блок-диаграмму (соединенные друг с другом пиктограммы элементов языка), которая затем компилируется в машинный код. Несмотря на такой подход в языке G используются те же конструкции и методы программирования, что и в других языках: типы данных, циклы, переменные, рекурсия, обработка событий и объектно-ориентированное программирование. Графический язык программирования «G», основан на архитектуре потоков данных. Последовательность выполнения операторов в таких языках определяется не порядком их следования, а наличием данных на входах этих операторов. Операторы, не связанные по данным, выполняются параллельно в произвольном порядке.

Среда программирования NI LabVIEW предлагает обширную коллекцию элементов управления и индикаторов с поддержкой функции перетаскивания. Используя эти элементы, появляется возможность быстро и просто создавать пользовательский интерфейс для приложений. Помимо функции перетаскивания перетаскивания элементов интерфейса продвинутые пользователи могут воспользоваться редактором элементов управления, который позволяет настраивать каждый из элементов интерфейса индивидуально.

Программы в LabVIEW называются виртуальными приборами или ВП (Virtual Instruments – VI), поскольку их внешний вид и поведение имитируют физические приборы. Каждый ВП использует функции, которые обрабатывают входные данные от пользовательского интерфейса или иных источников и отображают информацию либо перемещают ее в другие файлы или другие компьютеры.

ВП состоит из двух частей:

Характеристики

Список файлов ВКР