Курсовая работа по курсу " Автоматизация систем диагностики и контроля " на тему "Разработка автоматического устройства для регистрации крутильной волны в персональном компьютере"
| Вид материала | Курсовая |
- Курсовая работа оформлена с помощью текстового редактора Word 2007. Вся курсовая работа, 236.81kb.
- Курс составлен по опыту обучения людей с проблемами зрения основам работы на персональном, 30.43kb.
- Аппаратно-программный телемедицинский комплекс регистрации и автоматического анализа, 626.52kb.
- Задачи : Формирование учебно-методических материалов, направленных на обучение населения, 386.42kb.
- Данное пособие содержит основные пошаговые операции, позволяющие создавать электронные, 233.45kb.
- И внучкой, а может с внучкой и внуком, потому, как внучка его старше внука, завершил, 106.28kb.
- Службы курсовая работа по курсу «Система государственного управления» на тему: «Государственное, 376.12kb.
- Курсовая работа тема: «Вычисление определённого интеграла с помощью метода трапеций, 164.04kb.
- Имитаторы многопроцессорной вычислительной системы на персональном компьютере и работа, 56.98kb.
- Курсовая работа тема: Разработка Архиватора, 95.11kb.
МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ РФ
Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования
ИЖЕВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ
Кафедра Приборы и Методы Контроля Качества
Курсовая работа
по курсу “ Автоматизация систем диагностики и контроля ”
на тему “Разработка автоматического устройства для регистрации
крутильной волны в персональном компьютере”
Выполнил: студентка гр.991
Балобанов К.А.
Проверил: Стрижак В.А.
Ижевск, 2007
Содержание
Введение 3
Анализ технического задания 4
Блок-схема экспериментальной установки 5
Описание генератора 7
Описание предварительного усилителя 10
Расчет частоты дискретизации 10
Выбор АЦП 10
Описание ПК 13
13
PPC-S125 13
Низкопрофильный панельный полнофункциональный ПК с 12,1’’ TFT ЖК-дисплеем 13
Минимальная толщина корпуса – 54 мм; 13
Дисплей: цветной TFT с диагональю 12,1 дюйма и разрешением 800x600 13
Процессор: Intel Pentium III до 850 МГц; 13
Память ОЗУ: до 1 Гбайт SDRAM (2xDIMM) 13
НЖМД: 1 место для 2,5" НЖМД 13
Соединители IDE для подключения внешних НГМД и CD-ROM; 13
Контроллер Ethernet 10/100Base-T; 13
Порты ввода-вывода: 13
- 4 последовательных порта (3RS-232, 1хRS-232/422/485); 13
- 1 универсальный параллельный порт; 13
- 2 порта USB; 13
- порты для подключения клавиатуры и мыши (PS/2); 13
- входы и выходы звуковой подсистемы 13
Внешний модуль расширения для установки платы ISA/PCI; 13
Габаритные размеры: 311x237x54 мм; 13
Масса: 2,6 кг. 13
Устройство ввода 14
Расчёт объёма ОЗУ 14
Блок-схема работы установки и программное обеспечение 15
Временная диаграмма работы установки 16
Заключение 17
Список литературы 18
Введение
Повышение эффективности работы промышленных объектов идет по пути совершенствования как самих технологических процессов, так и процессов управления ими. Широкое внедрение цифровой вычислительной техники в автоматизированные системы управления объектами открывает практически неограниченные возможности обработки информации об управляемом объекте с целью построения оптимальных систем управления. Однако практическая реализация этих возможностей существенно ограничивается номенклатурой и техническими параметрами источников первичной информации о состоянии объекта - датчиков, сигнализаторов и более сложных измерительных устройств. Это особенно важно при регистрации скорости распространения УЗ волн в стержнях под нагрузкой.
Анализ технического задания
Для регистрации крутильной волны будем использовать ультразвуковой импульс частотой 1,25 МГц. Для практической реализации данного задания потребуется высокочастотный генератор сигналов (ГС), вырабатывающий высокочастотный импульс на электромагнитно-акустический преобразователь (ЭМАП). ЭМАП – катушка: 175 витков; провод – Ø 63 мкм; ширина катушки – 1,0 мм. Волновод – проволока из викаллоя (Ø 0,3мм) длиной 0,61 м. Эхо-импульс от конца волновода принимается тем же ЭМАП и подается на вход предварительного усилителя (ПУ) с заданными параметрами. Высокочастотный аналого-цифровой преобразователь (АЦП) производит преобразование принятого сигнала в код с разрешающей способностью по амплитуде 256 значений, или 8 двоичных разрядов. В качестве устройства отображения и обработки сигнала будет выступать персональный компьютер (ПК) и программный продукт «Осциллограф» (входящий в комплект АЦП). Также необходимо предусмотреть наличие оперативной памяти (ОЗУ) для хранения и отображения входных данных сигнала.
Блок-схема экспериментальной установки
Для проведения экспериментальных исследований была разработана установка для регистрации крутильной волны в стержне. Структурная схема установки представлена на рис. 1.
Рис. 1. Блок-схема экспериментальной установки
ПК – персональный компьютер, включающий монитор, устройство ввода, блок питания;
АЦП – плата аналого-цифрового преобразователя;
PCI – параллельная шина передачи данных в корпусе;
ОЗУ – оперативно-запоминающее устройство;
ЭМАП – электромагнитно-акустический преобразователь;
ПУ – предварительный усилитель с регулируемым коэффициентом усиления;
ГС – высокочастотный генератор сигналов.
Установка состоит из двух зависимых частей, соединяющихся кабелями и интерфейсом передачи данных.
Первый модуль включает электромагнитно-акустический преобразователь (ЭМАП), волновод (объект контроля), генератор сигналов (ГС), предварительный усилитель (ПУ).
Второй модуль – это персональный компьютер (ПК), в корпусе которого располагается АЦП и ОЗУ.
Принцип работы:
- ГС вырабатывает высокочастотный импульс 1,25 МГц. Амплитуда сигнала равна 10мВ.
- В волноводе ЭМАП генерирует крутильную волну со скоростью 5100 м/с.
- Отраженная волна принимается ЭМАП и поступает на вход предварительного усилителя.
- Предварительный усилитель принимает сигнал и увеличивает его амплитуду в 100 раз, то есть имеет фиксированный коэффициент усиления во всём диапазоне частот.
- АЦП аналоговый сигнал в диапазоне ±0,5 вольт преобразует в цифровой код и передаёт по шине PCI в ОЗУ.
- Центральный процессор обрабатывает сигнал с использованием программного продукта «Осциллограф».
- Данные программы отображаются на мониторе ПК.
Описание генератора
  Г6-45 | 0,01Гц-100МГц (синус, треугольник, прямоугольник) |
| Широкий диапазон генерируемых колебаний Электрическая имитация в реальном режиме времени звеньев и устройств телекоммуникаций и электрический анализ и синтез тестовых черно-белых и цветных изображений НАЗНАЧЕНИЕ И ОБЛАСТЬ ПРИМЕНЕНИЯ Генератор сигналов сложной формы Г6-45 (далее генератор) предназначен для генерирования электрических сигналов: синусоидальной формы в диапазоне частот 0,01 Гц до 100 МГц; прямоугольной формы в диапазоне частот от 0,01 Гц до 10 МГц со скважностью 50 %; треугольной и пилообразной формы в диапазоне частот от 0,01 Гц до 100 кГц. Генератор имеет возможность формирования сигналов с различными видами модуляции, функциональных и телевизионных сигналов. Область применения генератора: исследование, настройка и испытание систем и приборов, используемых в радиоэлектронике, автоматике, акустике, вычислительной и измерительной технике, геофизике, биофизике, машиностроении и приборостроении. ТЕХНИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ | |
| Диапазон частот генерируемых сигналов: | |
| - синусоидальной формы; | От 0,01 Гц до 100 МГц |
| - прямоугольной формы; | От 0,01 Гц до 10 МГц |
| - треугольной и пилообразной формы. | От 0,01 Гц до 100 кГц |
| Пределы допускаемой основной относительной погрешности установки частоты, %, не более | ± 5·10-3 |
| Относительная нестабильность частоты синусоидального сигнала на частотах более 20 Гц,%, не более | 5·10-4 |
| Допускаемое значение изменения частоты синусоидального сигнала при уменьшении уровня выходного сигнала на 10 дБ,%, не более | ± 1,5·10-4 |
| Максимальная амплитуда напряжения выходных сигналов: | |
| в диапазоне от 0,01 Гц до 10 МГц, В, не менее | 1 |
| в диапазоне от 10 МГц до 100 МГц, В, не менее | 0,5 |
| Пределы допускаемой основной относительной погрешности установки амплитуды напряжения выходного сигнала синусоидальной формы в диапазоне частот до 10 МГц, %, не более | ± 0,5 |
| Относительная нестабильность амплитуды напряжения выходного сигнала синусоидальной формы,%, не более: | |
| -за любые 15 минут работы | ± 0,1 |
| -за любой 3-х часовой интервал времени | ± 0,1 |
| Неравномерность амплитуды напряжения выходного сигнала синусоидальной формы, %, не более | ± 1,0 |
| Предельно допустимый коэффициент гармоник сигнала синусоидальной формы в диапазоне частот до 100 кГц,%, не более | 0,5 |
| Ослабление наибольшей по амплитуде гармоники сигнала синусоидальной формы относительно его первой гармоники, дБ, не менее | 40 |
| Предельно допустимый коэффициент нелинейности сигнала треугольной формы на уровне от 0,1 до 0,9,%, не более | 1 |
| Параметры сигнала прямоугольной формы: | |
| - длительность фронта, среза, нс, не более | 40 |
| - выбросы за фронтом и за срезом, %, не более | 5 |
| - неравномерность вершины ,%, не более | 1 |
| Пределы допускаемой основной относительной погрешности коэффициента заполнения 0,5 сигнала прямо-угольной формы в диапазоне до 100 кГц,%, не более | 1 % |
| Масса генератора, кг, не более | 5 |
| Габаритные размеры генератора, мм, не более | 270х110х360 |
| Потребляемая мощность, В А, не более | 30 |
| Средняя наработка на отказ, ч, не менее | 8000 |
| Среднее время восстановления работоспособного состояния генератора ,ч, не более | 4 ч |
| Рабочие условия применения : | |
| - температура | от плюс 10 до плюс 35 °С |
| - влажность | 80 % при 25 °С |
| - напряжение питающей сети , В | 220 ± 22 |
| - частота питающей сети, Гц | 50 ± 1 |
Описание предварительного усилителя
Предварительный усилитель обеспечивает фильтрацию и предварительное усиление сигнала без ограничения и имеет регулируемый коэффициент усиления. Предварительный усилитель должен иметь малые собственные тепловые шумы.
Расчет частоты дискретизации
Максимальная частота регистрируемых звуковых сигналов равна 1,25 МГц. Согласно теореме Котельникова для восстановления сигнала по его дискретным отсчетам частота дискретизации должна быть в два раза больше максимальной частоты сигнала. На практике берут в 4-5 раз больше. То есть минимальное значение частоты дискретизации должно быть равным 5 МГц.
Выбор АЦП
Выбираем АЦП. Рассмотрим быстродействующие платы аналого-цифрового преобразования для шины PCI ЗАО «Руднев-Шиляев».
| Плата | Количество каналов | Число разрядов, бит | Тактовая частота, МГц | Цена, руб. |
| ЛА-н10М6PCI | 2 синхронных канала | 8 | 100 | 17500 |
| ЛА-н10М8-100PCI | 2 синхронных (два однополосных канала) | 8 | 100 | 22500 |
| ЛА-н150-14PCI | 2 синхронных (2 независимых АЦП) | 14 | 7 | 20900 |
| ЛА-н20-12PCI | 2 синхронных (2 независимых АЦП) | 12 | 50 | 29000 |
Модуль ЛА-н10М6PCI является наиболее подходящим, т.к. скорость преобразования соответствует нашим параметрам. Из-за крутизны фронтов зондирующего и отраженного импульсов считаю достаточной разрешающую способность равной 8 бит. К тому же по сравнению с платой ЛА-н150-14PCI имеет большую частоту дискретизации, что позволит отслеживать изменение времени прохождения крутильной волны с большей точностью.
 | ЛА-н10М6PCI АЦП 8 разрядов 2 канала для PCI шины |
| Назначение Быстродействующая плата аналого-цифрового преобразования для шины PCI. Отличительные особенности
Применение
| |
Технические характеристики
| ОБЩИЕ ДАННЫЕ | |
| Шина интерфейса ПК | PCI |
| Потребляемая мощность | +5В, 900 мА |
| Размеры | 219 х 99 мм |
| Масса | 217 г |
| АНАЛОГО-ЦИФРОВОЙ КАНАЛ | |
| Число аналоговых входов | 2 синхронных канала |
| Конфигурация аналоговых входов (не изолированы) | Однополюсные |
| Разъем | BNC (аналог отечественного СР-50) |
| Входное сопротивление (Импеданс) | 1МОм, 30пФ |
| Дифференцирование (устанавливается программно) | Переменная или постоянная и переменная составляющие |
| Ширина полосы пропускания (-3дБ) | 50МГц |
| Диапазоны входного напряжения, (устанавливаются программно) | ±5В; ±2,5В; ±1В; ±0,5В |
| Максимальное входное напряжение | ±5В |
| Защита по напряжению аналоговых входов (питание включено) | ±15В |
| Передача данных АЦП | По чтению бита готовности или по прерыванию IRQ. |
| АНАЛОГО-ЦИФРОВОЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ | |
| Тип АЦП | Параллельный |
| Разрешение | 8 бит |
| Время преобразования | 20нс |
| Максимальная частота дискретизации | 100МГц в одноканальном режиме (канал 0). |
| 50МГц в двухканальном режиме. | |
| Временное разрешение в режиме стробоскопа | 1нс |
| Эквивалентная частота дискретизации в режиме стробоскопа | 1ГГц |
| Запуск АЦП | От внутреннего кварцевого генератора или от внешней тактовой частоты |
| ВНЕШНЯЯ ТАКТОВАЯ ЧАСТОТА | |
| Внешняя тактовая частота | ТТЛ-совместимый сигнал, меандр. Период сигнала не менее 25нс. |
| Разъем для сигнала внешней тактовой частоты | BNC (аналог отечественного СР-50) |
| Защита по напряжению входа внешней тактовой частоты (питание включено) | +7,5В |
| -2,5В | |
| СИНХРОНИЗАЦИЯ | |
| Источник | Канал 0, канал 1. Внешний |
| Внешний сигнал | Аналоговый амплитудой до ±5В или ТТЛ-совместимый сигнал |
| Тип | По фронту или по спаду |
| Число уровней | не менее 200 |
| Дифференцирование (устанавливается программно) | Переменная или постоянная и переменная составляющие |
| Разъем входа внешнего сигнала синхронизации | BNC (аналог отечественного СР-50) |
| Защита по напряжению входа внешнего сигнала синхронизации (питание включено) | ±15В |
| Входное сопротивление (Импеданс) | 1МОм, 30пФ |
Программная поддержка
- программы: «Осциллограф», «Стробоскопический осциллограф», «Спектроанализатор», «Частотомер», «Вольтметр»
- библиотека драйверов для программирования в LabVIEW, LabWindows/CVI, Visual Basic, C, C++;
- работа в MS DOS, WINDOWS 95/98, 2000
Описание ПК
PPC-S125
Низкопрофильный панельный полнофункциональный ПК с 12,1’’ TFT ЖК-дисплеем
Минимальная толщина корпуса – 54 мм;
-
Дисплей: цветной TFT с диагональю 12,1 дюйма и разрешением 800x600
Процессор: Intel Pentium III до 850 МГц;
Память ОЗУ: до 1 Гбайт SDRAM (2xDIMM)
НЖМД: 1 место для 2,5" НЖМД
Соединители IDE для подключения внешних НГМД и CD-ROM;
-
Контроллер Ethernet 10/100Base-T;
Порты ввода-вывода:
- 4 последовательных порта (3RS-232, 1хRS-232/422/485);
- 1 универсальный параллельный порт;
- 2 порта USB;
- порты для подключения клавиатуры и мыши (PS/2);
- входы и выходы звуковой подсистемы
Внешний модуль расширения для установки платы ISA/PCI;
Габаритные размеры: 311x237x54 мм;
Масса: 2,6 кг.
Устройство ввода
Расчёт объёма ОЗУ
Согласно выбранному АЦП разрешающая способность по амплитуде 256 точек, данное разрешение получается 8-ю двоичными разрядами.
Выбранная разрешающая способность по времени для аналогового сигнала составляет
100 000 000 точек за секунду.
Для хранения полученных результатов преобразования необходимо использовать ОЗУ. Определим необходимый объем микросхем памяти:
Необходимо хранить минимум 100 миллионов 8-ти битных выборок 1-го секундного сигнала. Выборку в 8 бит можно хранить в 8-ми битной ячейке микросхемы памяти. Следовательно, минимальный объем должен составлять 100 000 000 * (1байт) = 100 000 000 байт/сек = 95 Мб/сек.
Блок-схема работы установки и программное обеспечение
В качестве программного обеспечения может использоваться платформа распространенной операционной системы Windows. А также программа, реализующая осциллограф.
Временная диаграмма работы установки
Для полной проверки АЧХ усилителя потребуется 199 секунд или около 3,32 минуты.
1 – генерация зондирующего импульса частоты на ГС;
2 – донный импульс;
3 – усиление сигнала;
4 – режим работы АЦП;
5 - режим работы шины данных PCI;
6 – запись данных в ОЗУ;
7 – обработка сигнала с помощью ПО «Осциллограф»;
8 – отображение данных на мониторе ПК.
Заключение
В ходе выполнения курсовой работы было разработано устройство автоматической регистрации крутильной волны с использованием персонального компьютера.
Разработанное устройство позволяет регистрировать аналоговый сигнал амплитудой от 0 до 100 мВ. Разрешающая способность по амплитуде 8 бит, по времени не менее 100 000 000 раз в 1 сек.
Начало регистрации сигнала происходит с момента генерации зондирующего импульса.
Для хранения регистрируемой информации используется ОЗУ емкостью 95 Мб для хранения 1 секунды сигнала.
Для связи и передача данных между ПК и датчиком, в том числе и устройством обработки сигнала, используются провода. Компоненты в корпусе, такие как ОЗУ и АЦП, соединены посредством PCI-магистрали.
Список литературы
1. Шило В.Л. Популярные цифровые микросхемы. Справочник. – М. Радио и связь, 1988г.
2. Цифровые интегральные микросхемы. Справочник. Мальцев П.П. и др. – М.: Радио и связь, 1994г.
3. Сайты www.rudshel.ru, www.belvar.ru.