Трёхкоординатный измеритель ускорений с подавлением внешних случайных воздействий Текст научной статьи по специальности «Электротехника, электронная техника, информационные технологии»

Радиофизика

Вестник Нижегородского университета им. Н.И. Лобачевского, 2010, № 1, с. 96-98

УДК 621.371.029.65

ТРЁХКООРДИНАТНЫЙ ИЗМЕРИТЕЛЬ УСКОРЕНИЙ С ПОДАВЛЕНИЕМ ВНЕШНИХ СЛУЧАЙНЫХ ВОЗДЕЙСТВИЙ

© 2010 г. Н.Е. Земнюков, Е.И. Шкелев

Нижегородский госуниверситет им. Н.И. Лобачевского shkelev@rf.unn.ru

Поступила в редакцию 29.06.2009

Рассмотрен трёхкоординатный измеритель ускорений объекта, находящегося в нестационарной жидкостной среде, подверженной кратковременным низкочастотным возмущениям. Представлено схемотехническое решение измерителя и описан алгоритм обработки сигналов, поступающих от датчика ускорений. Прибор реализован на основе промышленного акселерометра, данные от которого обрабатываются микроконтроллером в режиме реального времени.

Ключевые слова: акселерометрия, гидроакустика, обработка данных, микроконтроллер.

При построении систем непрерывного контроля и диагностики механических воздействий на объект приходится решать две задачи. Одна из них связана с обнаружением и классификацией внешних воздействий, а другая - с измерением и количественной оценкой их параметров. Для решения этих задач наряду с техническими средствами требуется программное обеспечение в виде вычислительных процедур, выполнение которых возлагается, как правило, на микропроцессоры (МП). Поэтому помимо аппаратных средств необходима разработка программного кода, реализующего заложенный в систему контроля алгоритм обработки принимаемых от объекта сигналов. В тех случаях когда измерительная аппаратура удалена от источников энергии, к перечисленным задачам добавляется также задача энергосбережения.

В данной работе рассматривается трёхкоординатный (по осям X, Y и Z) измеритель ускорений объекта, находящегося в жидкостной среде, подверженной действию относительно кратковременных низкочастотных (с частотами, не превышающими 250 Гц) возмущений. Задачей измерителя является обнаружение таких возмущений и их обработка с целью диагностики поведения объекта.

Принципиальная схема измерителя представлена на рис. 1. Датчиком испытываемых объектом ускорений является акселерометр, работающий совместно с устройством обработки - микроконтроллером (МК). Акселерометр выполнен на микросхеме M1 MMA7260QT (производство Freescale Semiconductor, Inc.), микроконтроллер - это микросхема М3 MSP430F1611 (производство Texas Instruments, Inc.). Аналоговые сигналы от акселерометра преобразуются в цифровую форму

12-разрядным аналого-цифровым преобразователем (АЦП), интегрированным в микросхему МК. Порт P6 микроконтроллера (контакты P6.0-2) используется для приёма сигналов sx, sy и sz от акселерометра и передачи их аналого-цифровому преобразователю. Сигналы с выходов OUT X-Z акселерометра поступают на входы АЦП через повторители напряжений и RC-фильтры нижних частот. Повторители напряжения выполнены на операционных усилителях, входящих в состав микросхемы М2 MCP6144 (производство фирмы Microchip). Частота среза RC-фильтров составляет 250 Гц.

Прибор используется в условиях, когда испытываемые объектом воздействия можно разложить на составляющие, одна из которых обусловлена относительно низкочастотными динамическими возмущениями, а вторая характеризует действие среды в невозмущённом состоянии, представляя собой фоновый нестационарный случайный процесс. Алгоритм, по которому выполняется обработка поступающих от акселерометра данных, разбит на две стадии (рис. 2). На первой стадии - стадии адаптации -решается задача классификации воздействий со стороны окружающей среды. Для этого по полученным от АЦП отсчётам sk (k - номер отсчёта, частота дискретизации - 512 Гц) для каждой из координат X, Y и Z определяются статистические характеристики сигналов акселерометра

S = (sx, sy, sz), дающие сведения о поведении объекта в невозмущённой среде. К таким характеристикам относятся среднее значение a0 = M{sk} и дисперсия g0 = D{sk} - формулы (1) и (2) на рис. 2. На стадии адаптации выявляется также наличие в сигналах S крупномасштабных вариа-

М2

Мі

оит X оит У оит г

МОББ

§-8ЄІІ'

g-sel2

+и

15 і 1к

•*1________1

0.1

$2

0.1

0.1

2

3

4

-ЗГ

.+У

Ї

0.1

Хі

+3,3В

ТБО1

ТИ1

ТМ81

Т8Є1

ИЗТІ

Общий

+У

1

12п :

8 МГц

-нОь-

: 12п:

26

27

59

2 60

3 61

2 3 а 4 □_5_ П 6

54

55

56

57

53

52

£

Д1

62

63

Р2.6

Р2.7

Р6.0

Р6.1

Р6.2

Р6.3

Р6.4

Р6.5

Р6.6

Р6.7

ТБО/ТБІ

ТБІ

ТМ8

Т8С

ХТ2ПЧ

ХТ2ОиТ

Уге£

ЛУ88

БУ88

Р4.6

Р4.7

Р5.0

Р5.1

Р5.2

Р5.3

Р5.4

Р5.5

Р5.6

Р5/7

ХПЧ

ХОиТ

Я8Т/ЧМІ

БУсс ЛУсс Уге£+ Уе- е£+

43 -а

-и

44

45

46 П4

47 5

48 6

49 -п

50

51

-□

8

9

58 7

1

64 1

7

10 -□

12п

т

X

132768 Г

12г

гНН

0.01

47к

+У

2

1

4

1

5

6

7

Рис. 1. Принципиальная схема измерителя ускорений

ций с целью обнаружения динамического воздействия на объект. Критерием обнаружения является превышение вычисленного на основании статистических данных порога.

Диагностике подлежат крупномасштабные вариации сигналов акселерометра. Обнаружение таких вариаций инициирует переход ко второй стадии - стадии фильтровой обработки сигналов sx, sy и я2. Переход ко второй стадии происходит тогда, когда по одной из координат оценка дисперсии а!, складывающаяся из измеренной величины оо и дисперсии шума квантования Q (рис. 2, формула (3)), превышает экспериментально установленный порог porog\.

На второй стадии делается численная оценка вызванных динамическим воздействием ускорений объекта. Для этого используется программно реализованный цифровой фильтр, работающий по алгоритму Калмана с циклически повторяющимися операторами (5)-(8) [\, 2]

(рис. 2). Согласно (5) оценка ак (к - номер итерации) измеряемого по каждой из координат ускорения находится исходя из оценки ак-1 на предшествующем шаге итерационного процесса фильтрации с поправкой на величину, пропорциональную разности sk - ак-1 между значением

текущего отсчёта sk сигнала и его оценкой ак_1. Поправка пропорциональна коэффициенту Кк, который определяется на основании прогноза (8), выполняемого на каждом шаге вычислений. Начальное значение коэффициента усиления К1 вычисляется по величинам а! и а0 на стадии адаптации.

Фильтровая обработка выполняется, пока объект подвержен динамическому воздействию. На каждом шаге фильтрации вычисляется среднее значение А а к модуля разности ак - а0 во временном окне, размер которого N соответствует экспериментально найденной средней длительности динамических воздействий (рис. 2,

выражение (9)). Значение Аак сравнивается с заданным порогом porog2. Если обнаруживается, что Аа к < porog2, то фильтровая обработка приостанавливается и система переходит в стадию адаптации, находясь в ней до тех пор, пока вновь не будет обнаружено динамическое воздействие на объект. Вычисленные значения ускорений используются для принятия решения о наличии смены пространственного положения объекта - перемещения или вращения. Решение принимается на основе анализа значений вели-

Рис. 2. Алгоритм цифровой обработки сигналов датчика ускорений

чин ускорений по осям X, Y и Z по методике, изложенной в [2], а соответствующая информация выводится через интегрированный в МК MCP6144 последовательный порт USART0.

Через разъём Х\ осуществляется программирование FLASH-памяти микроконтроллера. Кварцевый резонатор на 8 МГц служит для тактирования ядра МК, а резонатор на 32768 Гц задаёт частоту дискретизации АЦП. Одним из важных критериев выбора МК MSP430F1611 стало низкое энергопотребление, обеспечившее в активном режиме общее (совместно с другими элементами схемы) потребление тока не более 10 мА при напряжении питания 3.3 В. Разрешающая способность измерителя составляет около 3-10" g (g - ускорение свободного падения) по каждой оси. В настоящее время прибор используется в научных экспериментах, связанных с исследованиями гидроакустических сред.

Список литературы

1. Grewal M.S., Andrews A.P. Kalman Filtering: Theory and Practice. New York: Awiley-Interscience Publication, 2001. 397 c.

2. Бабич О.А. Авиационные приборы и навигационные системы. М.: ВВИА им. Жуковского, 1981.

THREE-DIMENSIONAL ACCELEROMETER WITH COMPENSATION OF EXTERNAL RANDOM ACTION

N.E. Zemnyukov, E.I. Shkelev

A three-dimensional accelerometer to measure object accelerations in nonstationary liquid with short-term low-frequency perturbations has been considered. A schematic design of the accelerometer has been given and a processing algorithm of acceleration transducer signals has been described. The device has been implemented on the basis of an industrial accelerometer the data from which are processed by a microcontroller in real time.

Keywords: accelerometry, hydroacoustics, data processing, microcontroller.