1 Полный текст ВКР (Заболотный В.В. 153) (1235148), страница 10
Текст из файла (страница 10)
Рисунок 7.2 – Акселерометр ADXL 345
Технические характеристики акселерометра ADXL 345 представлены в таблице 7.2.
Таблица 7.2 – Технические характеристики акселерометра ADXL 345
| Наименование | Показатель |
| Напряжение питания | 2-3,6 В |
| Ток | 150 μА |
| Рабочая температура | от минус 40 ºС до плюс 85 ºС |
| Интерфейс | I2C или SPI |
| Разрешающая способность | 10-13 разрядов |
| Размер | 3 на 5 на 1 мм |
С учетом требований по функциональным характеристикам, производительности и энергоэффективности был проведен выбор платформы для реализации вычислительной подсистемы измерительного устройства. С учетом низкого энергопотребления, наличия встроенной АЦП и интерфейсов к внешним устройствам I2C и SPI, была выбрана платформа Arduino.
Система Arduino UNO R3 построена на базе микроконтроллера ATmega 328. Платформа предоставляет возможности упрощенного управления и доступа к контроллеру. Доступ к контактам контроллера осуществляется через разъемы по краям платы. Платформа имеет 14 цифровых вход/выходов (6 из которых могут использоваться как входы ШИМ), 6 аналоговых 10-битных входов, кварцевый генератор 16 МГц, разъем USB, силовой разъем, разъем ICSP и кнопку перезагрузки [36]. Внешний вид платформы Arduino UNO R3 представлен на рисунке 7.3.
Рисунок 7.3 – Платформа Arduino UNO R3
Для работы необходимо подключить плату к компьютеру посредством кабеля USB, либо подать питание при помощи адаптера AC/DC или от батареи.
Характеристики контроллера Arduino UNO R3 приведены в таблице 7.3.
Таблица 7.3 – Характеристики контроллера Arduino UNO R3
| Наименование | Показатель | |
| Рабочее напряжение | 5 В | |
| Входное напряжение | 7-12 В | |
| Входное напряжение (предельное) | 6-20 В | |
| Потребляемый ток/мощность | менее 50 мА/ 0,25 Вт | |
| Цифровые входы/выходы | 14 (6 – ШИМ) | |
| Аналоговые входы | 6 | |
| Постоянный ток через вход/выход | 40 мА | |
Окончание таблицы 7.3
| Наименование | Показатель |
| Постоянный ток для вывода | 50 мА |
| Флэш-память | 32 Кб |
| ОЗУ | 2Кб |
| EEPROM | 1 Кб |
| Тактовая частота | 16 МГц |
Arduino UNO обладает несколькими способами общения с другими Arduino, микроконтроллерами и обычными компьютерами, но при помощи отдельных плат расширения становится возможной организация различных способов взаимодействия, таких как Ethernet-сеть, радиоканал, Wi-Fi.
Также существует большое количество разновидностей текстовых, или как ещё их называют знакосинтезирующих, жидкокристаллических экранов, на которые можно выводить информацию с Arduino. ЖК-дисплей достаточно просто подключается и не требует объёмного программного обеспечения. Контроллер Arduino с ЖК дисплеем представлен на рисунке 7.4.
| а | | б | |
Рисунок 7.4 – Платформа Arduino UNO R3
а) с знакосинтезирующим двухстрочным дисплеем;
б) с графическим ЖК-дисплеем
Устройство индикации позволяет выводить результаты измерений на дисплее, установленном в кабине машиниста для обеспечения инструментального контроля сил, реализуемых на автосцепке локомотива.
Для управления устройством через сервер и интернет в дополнение к Arduino необходимо установить плату расширения Ethernet Shield, которая представлена на рисунке 7.5.
Рисунок 7.5 – Плата расширения Ethernet Shield для Arduino UNO R3
Ethernet Shield работает с использованием библиотеки Arduino Ethernet library. На плате Ethernet Shield присутствует слот для micro SD карты, это нужно для того, чтобы можно было хранить большее количество информации и загружать веб-сайты с самого Arduino. Принцип работы платы расширения заключается в том, что Ethernet Shield связывает Arduino с сервером при помощи сети интернет или Wi-Fi роутера. Технические характеристики Ethernet Shield представлены в таблице 7.4.
Таблица 7.4 – Технические характеристики Ethernet Shield
| Наименование | Показатель |
| Рабочее напряжение | 5 В |
| Размер буфера | 16 КБ |
| Скорость подключения | 10-100 Мб |
Обработка сигнала, поступающего с резистивного датчика SRLPS 9600 Series, производится в аналого-цифровом преобразователе платы Arduino. АЦП Arduino имеет небольшую разрядность, всего 10 бит, что соответствует 1024 значениям. Для увеличения диапазона измеряемых значений необходимо использовать дополнительный аналого-цифровой преобразователь с разрядностью 16 бит, что соответствует 65636 значениям. 16 битный аналого-цифровой преобразователь представлен на рисунке 7.6.
Рисунок 7.6 – 16 битный АЦП для Arduino UNO R3
Технические характеристики 16-битного аналого-цифрового преобразователя представлены в таблице 7.5.
Таблица 7.5 – Технические характеристики 16-битного АЦП
| Наименование | Показатель |
| Напряжение питания | 2-5,5 В |
| Ток | 150 μА |
| Рабочая температура | от минус 40 ºС до плюс 125 ºС |
| Передача данных | I2C |
| Вес | 5 грамм |
| Размер | 2 на 1,5 на 0,4 мм |
| Цвет | синий |
| Аппаратная платформа | Arduino |
Таким образом, для полноценной работы измерительного комплекса недостаточно пользоваться только контроллером Arduino UNO R3, необходимо использовать следующее дополнительное оборудование: плата расширения Ethernet Shield, 16-битный аналого-цифровой преобразователь, ЖК-дисплей.
Совместно с платой Arduino для определения географических координат, времени, измерения расстояния и скорости движения, а также для привязки измеренных значений к километровым отметкам пути используется плата GPS «Glonass Shield». Плата базируется на новейшем 32-канальном навигационном модуле SL869, позволяющем принимать сигналы с использованием всех глобальных навигационных систем: GPS, ГЛОНАСС, Galileo и QZSS. Плата GPS «Glonass Shield» представлена на рисунке 7.7.
Рисунок 7.7 – Плата GPS «Glonass Shield»
Технические характеристики платы GPS «Glonass Shield» представлены в таблице 7.6.
Таблица 7.6 – Технические характеристики платы GPS «Glonass Shield»
| Наименование | Показатель |
| Напряжение питания | 3,3-5 В |
| Ток | 57 мА |
| Рабочая температура | от минус 40 ºС до плюс 80 ºС |
Окончание таблицы 7.6
| Наименование | Показатель |
| Вес | 30 грамм |
| Размер | 37,5 на 46 мм |
| Аппаратная платформа | Arduino |
| Интерфейсы | UART 1PPS for precise timing EGNOS, WAAS, MSAS |
В программе SolidWorks был спроектирован защитный корпус для платы Arduino UNO R3, который представлен на рисунке 7.8.
Рисунок 7.8 – Корпус для платы Arduino UNO R3
Корпус может быть изготовлен как фрезерованием на станке, так и путем печати на 3D принтере. Он позволит защитить устройство от атмосферных воздействий и вандальных вмешательств в работу измерительного комплекса.
В программе SolidWorks спроектирован механизм крепления устройства измерения продольных сил, который представлен на рисунке 7.9.
Рисунок 7.9 – Механизм крепления измерительного устройства
Механизм крепления измерительного устройства включает в себя
Г-образный кронштейн с калибровочной штангой, на конце которой установлена металлическая пластина для крепления датчика линейных перемещений SRLPS 9600 Series. Калибровочная штанга имеет резьбу для удобства выставления датчика в нулевое положение. Перед установкой измерительного устройства из автосцепки вынимаются все подвижные детали: замок, замкодержатель, подъемник замка, валик и предохранитель. Предварительно, перед установкой механизма крепления, необходимо засверлить в корпусе автосцепки три отверстия (два для закрепления Г- образного кронштейна, одно для вывода информационного кабеля). Кронштейн закрепляется двумя болтами к вертикальной площадке на стенке внутренней полости головки автосцепки.
Выше были рассмотрены отдельные электронные компоненты и элементы крепления измерительного устройства. На рисунке 7.10 представлена структурно-функциональная схема измерительного комплекса.
Рисунок 7.10 – Структурно-функциональная схема измерительного комплекса
Для реализации системы используется платформа Arduino UNO R3 с платой расширения Ethernet Shield, 16 битным аналого-цифровым преобразователем и ЖК-дисплеем. В качестве чувствительного элемента используется датчик линейных перемещений SRLPS 9600 Series и акселерометр ADXL345 производства Analog Devices. Коммуникационная подсистема реализована на основе драйверов линии RS-485 Sparkfun Transiver Breakout построенных на основе микросхемы Sipex SP3485.
Необходимые измерения выполняются на двух крайних автосцепках локомотива с помощью измерительного устройства и контроллера Arduino UNO R3. Для отображения информации в кабине машиниста данные передаются по двухпроводной линии RS-485. Для решения задачи определения скорости движения и местоположения локомотива модуль Arduino UNO R3, находящийся в каждой кабине локомотива и получает поток данных в формате NMEA от спутникового навигационного приемника GPS/ГЛОНАСС. Информация о динамике локомотива поступает по линии SPI от акселерометра ADXL 345. Собранные данные непрерывно записываются на SD-карту, подключенную к контроллеру Arduino UNO R3 через плату расширения Ethernet Shield.
Измерительный комплекс может эксплуатироваться автономно, получая питание от аккумуляторной батареи.
Основным требованием, предъявляемым к аккумуляторной батарее, является обеспечение электрической схемы бесперебойным питанием в течение необходимого времени. Для проведения испытаний достаточно 14 часов работы АКБ без замены или подзарядки.
В таблице 7.7 представлены потребляемый ток и мощность электронных компонентов измерительного комплекса.
Таблица 7.7 – Ток и мощность, потребляемые оборудованием измерительного комплекса
| Наименование | Напряжение | Ток | Мощность |
| АRDUINO UNO R3 | 5 В | 150-180 мА | 0,9 Вт |
| LCD | 5 В | 0,5 мА | 0,0025 Вт |
| Ethernet Shield | 5 В | 150 мА | 0,75 Вт |
| ADC | 5 В | 150 μА | 0,00075 Вт |
| SRLPS 9600 | 5 В | 3 мА | 0,015 Вт |
| ADXL 345 | 3,6 В | 150 μА | 0,00054 Вт |
| GPS «Glonass Shield» | 5 В | 57 мА | 0,285 Вт |
| Суммарное потребление | 2,089 Вт | ||
С учетом КПД DC/DC преобразователей 85% потребная мощность источника составит = 2,5 Вт.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
