CC BY
73
ВЕСТНИК ЮГОРСКОГО ГОСУДАРСТВЕННОГО УНИВЕРСИТЕТА
2010 г. Выпуск 4 (19). С. 44-47
УДК 536.6(075)
АППАРАТНО-ПРОГРАММНОЕ СРЕДСТВО ДЛЯ ИССЛЕДОВАНИЯ ВОЗДУШНЫХ ПОТОКОВ ПРИ ИЗУЧЕНИИ АЭРАЦИОННОГО РЕЖИМА ГОРОДСКОЙ ЗАСТРОЙКИ
П. А. Самосудов, А. Ф. Косач, И. В. Долженко, Н. А. Гутарева
Изучение движения воздуха в различных условиях его соприкосновения с элементами городской застройки, зелеными насаждениями и движущимися транспортными средствами требует специальных технических средств, позволяющих выполнять измерения направлений и скоростей воздушных потоков, давления, температуры и других состояний воздушной среды одновременно в различных точках, расположенных на значительных расстояниях в пределах исследуемого пространства. В таких условиях целесообразно применение систем телекоммуникаций с использованием радиочастотных каналов передачи данных, полученных от первичных измерительных преобразователей.
Так как точек, в которых выполняются измерения, достаточно много, то важным становится вопрос о возможности выполнения анализа поступающих данных по нескольким каналам в едином времени.
Обеспечить такую гибкую функциональность при невысокой стоимости оборудования представляется возможным на базе программных средств фирмы National Instruments (NI) -среды программирования LabVIEW [2].
LabVIEW (Virtual Instrument Engineering Workbench) представляет собой среду разработки виртуальных приборов (ВП), причём разработка любого ВП сводится к созданию интерфейса «Элементы управления и отображения данных» и разработки программы обработки данных «Блок-диаграмма ВП», которая графически отображает функции узлов обработки данных и пути передачи данных. При построении блок-диаграммы используется потоковая модель данных, которая определяет алгоритм обработки информации. Использование решений фирмы National Instruments позволяет реализовать требуемый интерфейс, коммуникационную функциональность для регистрирующего прибора на базе беспроводных коммуникаций по стандарту Bluetooth. Это позволяет построить мобильную диагностическую систему, которая включает в себя различные регистрирующие первичные измерительные преобразователи для измерения скорости воздушных потоков, температуры, магнитные датчики угла поворота, а также низкочастотные измерительные микрофоны, что расширило возможности проведения исследований аэрационных режимов городской застройки.
Выбрав за основу стандарт беспроводной связи Bluetooth и его сервисы, которые широко поддерживаются компьютерной техникой, включая КПК, а также руководствуясь стремлением сохранить принятую методику проведения измерений обычными преобразователями, разработан новый многофункциональный диагностический комплекс, структурная схема которого представлена на рис. 1. В качестве прототипа беспроводного комплекса было использовано аппаратно-программное средство для телемедицины [3].
Рис. 1. Структурная схема измерительного комплекса с модулем Bluetooth:
1 - первичные измерительные преобразователи; 2 - усилитель;
3 - аналого-цифровой преобразователь (АБС); 4 - микропроцессор;
5 - модуль Bluetooth; 6 - источник питания; 7 - фильтр;
8 - внешнее измерительное устройство с проводной связью;
9 - адаптер Bluetooth; 10 - компьютер; 11 - програмное обеспечение;
12 - плата аналогового ввода; 13 - монитор
Принятая модульность схемы позволяет создавать приборы как с минимальными, так и с расширенными функциональными возможностями. Так, устройство, состоящее только из первичного преобразователя 1 и усилителя 2, дает возможность проводного аналогового подключения к компьютеру (через устройство сбора данных фирмы NI). Полная же конфигурация прибора, включающая в себя плату с АЦП и модулем Bluetooth, позволяют осуществлять беспроводную передачу сигнала в компьютер (в том числе мобильный и КПК), а ВП также осуществляет его обработку и отображение. Получаемый на компьютере сигнал может быть соответствующим образом обработан, архивирован или передан на удаленный компьютер (в лабораторию). В комплексе использован промышленный Bluetooth-модуль WRAP THOR 2022 (базовый бескорпусной одноплатный модуль, выполненный в виде сборки для поверхностного монтажа), который работает через виртуальный СОМ-порт установленного на компьютере адаптера Bluetooth. Поэтому в схеме ВП использованы функции VISA (среда LabVIEW) для связи с внешними приборами [2].
В диагностическом комплексе заложена аппаратная оцифровка аналогового сигнала со скоростью от 250 до 5000 выб/с. Выбранная частота оцифровки определяется назначением прибора.
Таким образом, способ получения, обработки и отображения сигнала, полученного с датчика, полностью определяются функциями LаbVIЕW, используемыми при построении ВП. Как видно из рис. 1, аппаратная часть первичных измерительных преобразователей позволяет реализовать целый ряд методик измерений и передачи получаемых данных, не используя дополнительных специальных компьютерных устройств. На его базе может быть построен ВП с любой заданной функциональностью. В то же время, при построении ВП возможно и непосредственное использование функций LаbVIЕW для работы с Bluetooth.
В результате работы по разработке прибора была выявлена возможность создания малогабаритного варианта устройства весом в 30 г, которое в состоянии поднять в воздух эласто-мерный баллон с условным диаметром 42 см. наполненный гелием.
На рис. 2 представлен один из вариантов построения ВП. Лицевая панель используемого ВП позволяет отображать полученный с первичного измерительного преобразователя сигнал и управлять им. Блок-диаграмма данного прибора построена на базе структуры событий LаbVIЕW (Еуеп1;), реализующей функцию объектно-ориентированного программирования.
Рис. 2. Вариант пользовательского интерфейса и реализующий его код
Примененный ВП позволяет получать и отображать полученный сигнал заданной длительности, его можно многократно воспроизвести, произвести фильтрацию полученного сигнала с заданными параметрами, (в случае неудовлетворительного результата можно вернуться к предыдущему исходному варианту), произвести усиление по амплитуде уже полученного сигнала (при этом также возможен возврат к исходному сигналу). На любом этапе работы с полученным сигналом можно получить его спектральную характеристику. Функции работы с полученным сигналом реализованы в структуре со сдвиговыми регистрами (специальный элемент структуры LаbVIЕW, который сохраняет предыдущие данные). Прибор предусматривает изменение масштаба и перемещение шкалы отображения для формы сигнала и его спектра. Отображаемый сигнал на любом этапе можно сохранить в файл. Поскольку прибор являлся исследовательским, при построении блок-диаграммы ВП используются экспресс-функции работы (универсальные настраиваемые функции). Настройка параметров таких функций производится в диалоговом окне (ассистент функции). В связи с этим настройка целого ряда параметров работы с сигналами производтся непосредственно в ассистенте этих функций.
В процессе экспериментальных исследований разработан целый ряд ВП для исследований полученных сигналов с использованием различных функций LаbVIЕW, а также рассмотрены различные способы связи с другими компьютерными системами с возможностью управления ВП по сети через проводное сетевое соединение, а также беспроводное Wi-Fi и Bluetooth.
Прибор, созданный на базе Bluetooth, работающий через виртуальный СОМ-порт, показал стабильную работу, в связи с этим такой вариант можно считать пригодным для использования в качестве профессионального оборудования.
При исследовании воздушных потоков приходится использовать несколько видов первичных преобразователей и сигналы от них приходится масштабировать в различные диагностические системы на уровне ВП параллельно по нескольким каналам, что также возможно при использовании технологий National Instruments. Таким образом, использование технологий компании National Instruments позволило в значительной степени упростить аппаратную часть приборов диагностики ветровых потоков, создать ряд приборов разного функционального назначения с различным интерфейсом. Появилась возможность универсального использования нескольких видов связи диагностического прибора с компьютерными системами, что позволяет рассматривать такие решения как вполне отвечающие потребностям телеметрических измерений в областях метеорологии и аэродинамики.
Управление и проведение исследований при помощи лицевой панели виртуального прибора повысило производительность исследований, повысило надежности получения данных за счет возможности автоматического фиксирования динамики развития исследуемого процесса.
Приборы можно подстраивать под стационарные или полевые условия эксплуатации, быстро производить их перекомплектацию под разные первичные измерительные преобразователи, требующиеся при выполнении исследований, а также позволяет обойтись без профессионального программирования.
ЛИТЕРАТУРА
1. Потапов, И. А. Приборы медицинской диагностики на базе решений фирмы National Instruments [Текст] / И. А. Потапов, А. И. Потапов, В. Е. Махов // Образовательные, научные и инженерные приложения в среде LаbVIЕW и технологии National Instruments: Сборник трудов Международной научно-практической конференции. - М. : Изд-во РУДН, 2005.
2. Тревис, Дж. LаbVIЕW для всех [Текст] / Дж. Тревис ; [пер. с англ.] : Н. А. Клушин. - М. :
ДМК Пресс ; Приборкомплект, 2005.
3. Потапов, А. И. Технические и аппаратно-программные средства телемедицины : науч. и учеб.-метод. справ, пособие [Текст] / А. И. Потапов, Б. В. Самойлов, И. А. Потапов. -СПб. : СЗТУ, 2005. Goltcov
4. Goltcov, V. V. еtс. Рulsе diagnostic device and method of measuring a pulse wave using this device. United States Patent number 5, 381,797. - 17 Jan 1995.
