Научная статья на тему 'Обработка сигналов в прецизионном цифровом акселерометре с волоконно-оптическим датчиком'

Обработка сигналов в прецизионном цифровом акселерометре с волоконно-оптическим датчиком Текст научной статьи по специальности «Машиностроение»

CC BY
102
18
Поделиться

Аннотация научной статьи по машиностроению, автор научной работы — Чубарев О. А., Демьяненко П. А.

Приведен алгоритм обработки сигналов в прецизионном цифровом акселерометре с волоконно-оптическим датчиком. Рассмотрены преимущества и особенности использования микроконтроллерного устройства для обработки сигналов датчика.

Похожие темы научных работ по машиностроению , автор научной работы — Чубарев О.А., Демьяненко П.А.,

Processing of the signals in precision digital accelerometer with the fiber-optical sensor

The algorithm of processing the signals in precision digital accelerometer with the fiberoptical sensor is brought. Advantages and features of use microcontroller device for processing signals from the fiber-optical sensor are considered.

Не можете найти то что вам нужно? Попробуйте наш сервис подбора литературы.

Текст научной работы на тему «Обработка сигналов в прецизионном цифровом акселерометре с волоконно-оптическим датчиком»

рювань. Величина абсолютно! похибки вимiрювання постiйна в усьому дь апазонi вимiрювань i визначаеться дискретою пiдрахунку (перiодом iмпу-льсiв ГВЧ). Величина вщносно! похибки залежить вiд величини вимiрюва-ного прискорення - чим воно бшьше, тим точшше його можна вимiряти.

Параметри акселерометра. Висновки

Застосування комп'ютерного опрацювання дозволяе нейтралiзувати природнi недолжи i недосконалостi ВОД, пом'якшити жорстюсть вимог, що висуваються до самих ВОД, не знижуючи при цьому високих вимог до якост вимiрювань в цiлому.

Розрахунковi (очiкуванi) величини основних параметрiв акселерометра.

13

- порогова чутливють........................................................10 g;

- мiнiмальна вiдносна похибка вимiрювань..........

...................10'%;

- динамiчний дiапазон вимiрюваних величин прискорень..........10 .

В разi необхщност наведенi параметри можуть бути змшет на 2-3 порядки в той чи шший бж шляхом вiдповiдного добору конструктивних па-раметрiв ВОД i параметрiв схеми опрацювання його сигналу.

Розглянут акселерометри можуть слугувати основою для побудови ше-рцiальних навiгацiйних систем автономних рухомих об'екпв, зокрема кос-мiчних лiтальних апаратiв, що перебувають протягом тривалого часу пiд дiею малопотужних силових факторiв, наприклад, тиску сонячного виру.

Л1тература

1. Демьяненко П.А., Зиньковский Ю.Ф., Прокофьев М.И. Прецизионный цифровой акселерометр с волоконно-оптическим датчиком. // Радиоэлектроника. - 1997. -Т.40. - №1. - С.39-47. (Известия высш. учебн. заведений).

2. Демьяненко П.А., Зиньковский Ю.Ф., Прокофьев М.И. Обработка сигналов в изме-

рителях с импульсными волоконно-оптическими датчиками. // Радиоэлектроника. Известия высш. учебн. заведений. 1998. Т.41, №8. С.54-60. 3. Федорцов А. О., Долинский М. С. Микроконтроллеры и микропроцессоры для

встроенных систем. // Электроника, № 11-12, 1998.

Не можете найти то что вам нужно? Попробуйте наш сервис подбора литературы.

Дубиковский А. А., Демьяненко П. А. Микроконтроллерная обработка сигналов в прецизионном цифровом акселерометре с волоконно-оптическим датчиком. Рассмотрены особенности, принцип и режимы работы трехкоординатного волоконно-оптического датчика. Приведены структурная схема и алгоритм обработки сигнала прецизионного цифрового акселерометра с таким датчиком, ожидаемые величины основных параметров. Dubikovsky A.O., Demjanenko P.O. The microcontroller processing of signals in precision digital accelerometer with the fiber-optical sensor. Features, a principle and operating modes of the three-coordinate fiber-optical sensor are considered. The block diagram and algorithm of processing of a signal precision digital accelerometer with the fiber-optical sensor is offered, expected sizes of key parameters are resulted.

УДК 681.586.5; 531.768

ОПРАЦЮВАННЯ СИГНАЛ1В В ПРЕЦИЗ1ЙНОМУ ЦИФРОВОМУ АКСЕЛЕРОМЕТР1 З ВОЛОКОННО-ОПТИЧНИМ ДАВАЧЕМ

Чубарев О.А., Дем 'яненко П.О.

Наведено алгоритм опрацювання сигнал1в в прецизтному цифровому акселерометр1 з волоконно-оптичним давачем. Розглянут1 переваги та особливост1 використання мтроконтролерого пристрою для обробки сигнал1в в1д волоконно-оптичного давача.

BicHUK Нацюнального техтчногоутверситету Украти "КП1" 101

Серiя — Радютехтка. Радюапаратобудування.-2007.-№35

Вступ. Постановка задачi

Абсолютна невразливють волоконно-оптичних давачiв (ВОД) до рiзних за походженням та штенсившстю електромагнiтних полiв, 1хня пiдвищена стiйкiсть при роботi в хiмiчно та фiзично агресивних середовищах привер-тае увагу розробникiв, визначае актуальнiсть розробки ефективного алгоритму опрацювання сигналу iмпульсного ВОД - основи для побудови 3-координатного прецизшного цифрового вимiрювача надмалих прискорень.

Алгоритм опрацювання сигналiв

Вихiдний сигнал ВОД формуеться у виглядi часово! послiдовностi оп-тичних iмпульсiв, що дозволяе реалiзувати принцип «вимiрюван-ня-шдрахунок». Похибка вимiрювання визначаеться дискретою вимiрю-вання { м1шм1зуеться опрацюванням сигналу мжроконтролером. Основою конс-трукци ВОД е конiчний маятник на осно-вi вiдрiзка кварцового волоконного свгг-ловода (ВС), консольно закршленого в корпусi. На вiльному кшщ консолi е ше-рцiйна маса (1М) з магнiтом'якого мате-рiалу [1]. В робочому режимi кшець маятника описуе коло над схрещеними ввiг-нутими дзеркалами, виконаними у вигля-дi вiдрiзкiв двох зрiзаних торо!дальних поверхонь, тороутворюючi площини яких перетинаються пiд прямим кутом i визначають вiсi 0Х та 07 чутливост ВОД (рис.1). В моменти перетинання кшцем -маятника вюей кривизни дзеркал, части-на оптичного потоку повертаеться назад у консоль ВС, формуючи на виходi ВОД оптичний сигнал у виг-лядi послiдовностi коротких оптичних iмпульсiв, яку можна розглядати як таку, що складаеться з двох, вкладених одна в одну X i 7 послщовностей, сформованих iмпульсами вщ вiдповiдних дзеркал (рис. 2).

Рис.2.Часова д1аграма вихщного опти-1чного сигналу ВОД для випадку а=0.

1, 2, 3, 4, - порядков! номери ¡мпульав (умовно); I, II, III, IV, - порядков! номери квадрант! в круга об1гу; Т - перь

г{ од обертання маятника; Тх\, Тх2 -

--^ час перебування маятника з одного (в

Не можете найти то что вам нужно? Попробуйте наш сервис подбора литературы.

квадрантах 1,11) 1 з другого (в квадрантах III,IV) боку вю ОД вщповщно; Ту\, I ТУ2 - час перебування маятника з одного (в квадрантах 11,111) 1 з другого (в квадрантах IV,!) боку вю1 07, вщповщно.

102 Вкник Нацюнального техшчного утверситету Украгни "КШ"

Серiя — Радютехтка. Радюапаратобудування.-2007.-№35

Рис.1. Коло об1гу маятника 0Х, 07 - вю1 дзеркал (чутливосп);

1-й iмпулbс генеруеться при перетинанш маятником вю1 0Х

2-й гмпульс генеруеться при перетинанш маятником вю1 07

Оптичш iмпульси надходять на фотоприймач (ФП), де перетворюються на електричнi, для подальшого опрацювання !х засобами цифрово! техшки. Алгоритм опрацювання сигналiв призначений для роботи з мжроконтро-лером (МК). Для забезпечення необхщно! точностi вимiрювань був обра-ний МК Intel 8XC251S SB, з параметрами: тактова частота - 16 МГц; RAM -1 Кб; ROM/OTPROM/EPROM - 16 Кб; 3 таймериЫчильники - по 16 бгг кожний [2].

Для роботи МК слщ накопичити необхщт вхщт дат, якими е: Tx1, Tx2 - часи перебування маятника обабiч осi X; Ty1, Ty2 - часи перебування маятника обабiч осi Y, T - повний перюд обертання маятника.

Алгоритм накопичення euxidnux даних При початковому запуску ВОД маятник за допомогою електромагнтв выводиться в четвертий квадрант (рис 1.) i далi приводиться в рух за го-динниковою стрiлкою. При цьому змшш в алгоритмi, що вiдповiдають часам перебування маятника обабiч обох осей i повним перiодам останнього i передостаннього циклiв обнуленi. Таймери МК також обнулеш.

При проходженш маятника над першим дзеркалом на МК поступае iмпульс (умовно назвемо його першим). Прихщ цього iмпульсу запускае перший таймер МК i змiнна, що вiдповiдае за положення маятника (i ви-значае чверть), стае рiвною одиницi. Далi, з частотою шдрахункових iмпу-льсiв (100 МГц) перший таймер збшьшуе свое значення на одиницю. Якщо до приходу другого iмпульсу вiд ВОД цей таймер переповнюеться, то дру-гий таймер шкрементуеться, а перший обнуляеться i запускаеться знову. Прихщ другого iмпульсу змiнюе змiнну перюду на двiйку, iнтервали часу Tx1 i Ty2 збiльшують свое значення на число, записане в першому таймерi (або комбшаци першого i другого таймерiв). Таймер(и) перезапускаються. Якщо змшна Ty1 не дорiвнюе нулю (що вщповщае вже не першому повно-му перiоду обертання маятника) то:

1. Проводиться розрахунок прискорення вздовж координати Y;

2. Розраховуеться повний перюд обертання маятника, порiвнюеться з початковим значенням перюду обертання T0 i визначаеться приско-рення вздовж ос 0Z;

3. Отримавши всi необхщш вихiднi данi, розраховуються направляючi косинуси i модуль вектора прискорення [3]. Посля повного циклу опрацювання вихщш дат спрямовуються на вихiдний порт МК в зручному для подальшого використання виглядь

Прихщ на МК третього iмпульсу збiльшуе Tx1 и Ty1 на величину часу, що був витрачений в перехiдних тактах МК. Лiчильники обнуляються, змiнна перюду дорiвнюеться до трiйки. Прихiд четвертого iмпульсу додае до Tx2 i Ty1 значення таймера(iв), таймери обнуляються, змшна перюду до-рiвнюеться до четвiрки. При наступнiй подачi першого iмпульсу: перiод = 1; обнуляються таймери; збшьшуються змiннi Tx2 и Ty2; проводиться розра-

BicHUK Нацюнального техтчногоутверситету Украти "КП1" 103

Не можете найти то что вам нужно? Попробуйте наш сервис подбора литературы.

Серiя — Радютехтка. Радюапаратобудування.-2007.-№35

хунок прискорення вздовж ос X. Даш цикл повторюеться, доки на МК по-даеться живлення, або не вщбулося його скидання.

Для забезпечення високо! точност вимiрювань всi змiннi на пiвперiодiв -32 розряднi з плаваючою комою, що дозволяе забезпечити розрахункову по-хибку вимiрювання до 10 %. Оскiльки похибка вимiрювання складових вектора прискорення напряму залежить вiд похибки вимiрювання часових штер-валiв, то при складанш програми слiд враховувати кшьюсть пропущених так-тiв, за час яких виконувалися всi команди програми. Для такого обл^ слiд вводити поправки в вимiрюванi перiоди i напiвперiоди маятника.

Для передачi шформаци оператору або до пристрою опрацювання вихь дних даних акселерометра (який не входить до складу розроблюваного пристрою) можна застосувати таю методи: передача по радюканалу; вивщ даних на дисплей; перетворення даних для передачi через COM-, LPT- або [/SB-порти з наступним опрацюванням, накопиченням i аналiзом, викорис-товуючи програмне забезпечення ПК.

Висновки

Зауважимо, що використання МК для опрацювання сигналiв ВОД дозволяе побудувати всю електричну схему акселерометра на однш малоро-змiрнiй платi, що призводить до зменшення масогабаритних параметрiв пристро! i важливо для бортових систем.

Лггература

1. Демьяненко П. А., Зиньковский Ю.Ф., Прокофьев М.И. Прецизионный цифровой акселерометр с волоконно-оптическим датчиком//Известия высш. учебн. заведений. Радиоэлектроника. - 1997. - Т.40. - №1. - С.39-47.

2. Intel 8XC251 SA,8XC251 SB,8XC251 SP,8XC251SQ Embedded Microcontroller User's Manual.

3. Демьяненко П.А., Зиньковский Ю.Ф., Прокофьев М.И. Обработка сигналов в измерителях с импульсными волоконно-оптичними датчиками // Известия высш.

учебн. заведений. Радиоэлектроника. 1998. T.41, №8. C.54-60.

Чубарев О. А., Демяненко П.О. Обработка сигналов в прецизионном цифровом акселерометре с волоконно-оптическим датчиком. Приведен алгоритм обработки сигналов в прецизионном цифровом акселерометре с волоконно-оптическим датчиком. Рассмотрены преимущества и особенности использования микроконтроллерного устройства для обработки сигналов датчика. Chubarev A.A., Demyanenko P.O. Processing of the signals in precision digital accelerometer with the fiber-optical sensor. The algorithm of processing the signals in precision digital accelerometer with the fiber-optical sensor is brought. Advantages and features of use microcontroller device for processing signals from the fiber-optical sensor are considered.

104 В^ник Нацюнального техтчного утверситету Украгни "КП1

Серiя — Радютехтка. Радюапаратобудування.-2007.-№35