Разработка блок-схемы оптического блока лазерного измерительного комплекса

НОВОСИБИРСКОГО ГОСУДАРСТВЕННОГО УНИВЕРСИТЕТА

КАФЕДРА ИНФОРМАТИКИ

Проект по специализации «Системы управления»

Разработка блок-схемы оптического блока лазерного измерительного комплекса

Научный руководитель Патерикин В.И.

Снс КТИ НП СО РАН «____»__________2008 г.

Студент Коваль Д.А.

гр. 501а «____»__________2008 г.

Новосибирск

2008

ВВЕДЕНИЕ

Автоматизированный диагностический комплекс предназначен для измерения геометрических параметров, а также выявления износа и дефектов поверхности катания колес грузовых вагонов на ходу поезда, регистрации неисправностей колесных пар и оперативной передачи полученной информации на ближайший пункт технического обслуживания грузовых вагонов [1].

В основе технического решения по контролю геометрических параметров колесных пар положен принцип самосканирования колес с использованием набора активных оптических измерительных датчиков триангуляционного типа. Для этой цели каждое из колес параллельно и независимо сканируется двумя полупроводниковыми лазерами, а отраженный сигнал воспринимается измерительными датчиками (внутренним и наружным). Последующая совместная обработка позволяет определить профиль поверхности катания в системе отсчета колес.

Измерительный цикл состоит из следующих этапов:

- по сигналам с индуктивных высокочастотных датчиков определяется наличие колесной пары в области измерения;

- во время нахождения колесной пары проводится сбор данных с электронных узлов ввода аналоговых данных (оптических и индуктивных измерительных датчиков).

- измерительные данные поступают в компьютер, после их обработки формируется массив геометрических данных и выявление дефектов, при этом осуществляется их привязка к соответствующим колесным парам грузовых вагонов (с указанием порядкового и бортового номера вагона).

Результаты измерения геометрических параметров и замеченных дефектов колесных пар проходящего состава передаются по протоколу TCP/IP в АСУ ПТО (см. Приложение 1).

ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ

Блок измерения аналоговых сигналов оптического датчика должен выполнять следующие основные функции:

- воспринимать и передавать аналоговые сигналы оптических датчиков в измерительную систему для оцифровки текущих значений.

- перед началом цикла измерения при подходе очередного состава грузовых вагонов осуществлять измерение «нулевого» уровня выходных сигналов (темновые токи) оптических датчиков и передавать их значения в компьютер измерительной системы.

В качестве измерительных датчиков комплекса используются оптические датчики триангуляционного типа, которые разработаны для этой цели в Конструкторско-технологическом институте научного приборостроения СО РАН.

Устройство и принцип действия оптического датчика

Триангуляционный метод основан на расчете искомого расстояния через соотношения треугольника (отсюда и название) с использованием известных параметров треугольника - стороны и двух прилежащих углов и позволяет измерять как относительное изменение расстояния от измерителя до поверхности контролируемого объекта, так и абсолютное значение этого расстояния. По сравнению с системами, основанными на других оптико-электронных методах, триангуляционные системы отличаются относительной простотой реализации, потенциально высокой точностью (погрешность на уровне 1 мкм и ниже, разрешение - до 0.05 мкм) и производительностью (1000 и более измерений в секунду). Такие системы позволяют измерять расстояния непосредственно до поверхности контролируемого объекта, при этом объект может быть сложнопрофильным. Таким образом, триангуляционный метод является оптимальным для решения задачи контроля геометрических параметров динамических объектов. Устройство оптического датчика приведено на рисунке. В датчике имеется лазерный источник света и фотоприемная линейка, которые расположены под некоторым углом друг к другу.

оптический датчик фотолинейка аналоговый

На внутренней части обода колеса лазер образует светящуюся точку, вертикальное положение которой зависит от расстояния до обода. Оптическая система переносит изображение светящейся точки на фотодиодную линейку. Сигнал с фотолинейки оцифровывается и вводится в микроконтроллер, который определяет положение центра точки. Зная геометрические параметры датчика, такие как угол между лазером и нормалью к фотолинейке, а также увеличение объектива, можно определить расстояние до освещенной лазером точки на поверхности колеса. Все вычисления выполняются встроенным микроконтроллером. Измеренное расстояние формируется на выходе датчика в цифровом коде.

В соответствии с изложенными выше функциональными особенностями блока и выбранного типа датчиков рассмотрим минимально необходимый состав элементов и узлов, с применением которых он может быть реализован.

Начнем с описания типа, параметров и уровней входных и выходных сигналов.

Входные сигналы:

- диапазон изменения входных сигналов 0ч3В;

- форма сигнала импульсная периодическая 100 кГц;

- выходное сопротивление 150 Ом

Выходные сигналы аналоговые:

- амплитудные значения и полярность +0,1ч8,0 В;

- рабочая полоса частот 0ч50 кГц;

- сопротивление нагрузки 240 Ом

Выходные сигналы цифровые:

- уровень сигналов …… (ТТЛ);

- нагрузка витая пара

- тип интерфейсного порта RS-485

В общем виде в соответствии с изложенными выше функциональными возможностями оптический блок должен содержать следующие узлы:

- входные усилители, например широкополосные операционные усилители с высоким входным сопротивлением и достаточно широкой полосой пропускания;

- преобразователи уровней импульсных сигналов в сигналы постоянного тока, выполненные, например, на основе ИМС устройств выборки-хранения (УВХ);

- узлы синхронизации УВХ для привязки момента выборки амплитудного значения импульсного сигнала, при этом каждый их них должен будет содержать схему задержки сигнала включения и одновибратор для формирования импульса включения УВХ на момент выборки сигнала;

- суммирующий усилитель с выходом на низкоомную нагрузку, который суммирует и передает текущие значения аналоговых сигналов стартового и стопового датчиков на вход АЦП измерительной системы;

- активные фильтры, которые предназначены для сглаживания выходных сигналов;

- схема управления лазером, с помощью которой осуществляется изменение режима работы и мощности излучения лазера;

- схема управления приводом шторки;

- схема включения-выключения обогревателя;

- схема температурного контроля с датчиком температуры;

- полупроводниковый лазер.

Принцип работы позиционно-чувствительной фотолинейки

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

В месте попадания светового пятна на фоточувствительный слой генерируется электронный заряд, пропорциональный интенсивности падающего излучения. Этот заряд передается через резистивный слой и собирается выходными электродами и в виде фототоков, пропорциональных расстоянию между положением падающего излучения и соответствующим электродом. Соотношения между положением падающего света и фототоками запишутся в виде системы (2.1), где - суммарный фототок (), - выходной ток электрода (), L - чувствительная длина фотолинейки, x - расстояние от электрического центра PSD до положения светового пятна.

Координата светового пятна определяется отношением разности к сумме токов:

(2.2)

ОПИСАНИЕ СТРУКТУРНОЙ СХЕМЫ

Аналоговая часть структурной схемы показана в Приложении 1.

Аналоговая часть содержит два канала, связанные с четной и нечетной сторонами фотодиодной линейки, с каждого из которых импульсный сигнал одновременно подается на УВХ.

С выхода УВХ сигнал постоянного тока поступает на один из входов суммирующего усилителя, с выхода которого он далее поступает на вход АЦП измерительной системы комплекса и активные фильтры.

Одновременно выходные сигналы УВХ первого и второго датчиков поступают на вход АЦП который входит в состав контроллера и используются для измерения темновых токов датчиков во время подготовки комплекса к циклу измерений.

УВХ управляется контроллером с помощью трех одновибраторов, которые срабатывают с определенной задержкой и подают импульс включения УВХ на время 0.7 микросекунды, таким образом, УВХ включается и запоминает амплитудное значение сигнала.

В состав структурной схемы также входят следующие узлы, управляемые контроллером: схема измерения температуры лазера и оптического блока; схема управления лазером; одновибраторы.

Структурная схема цифровой части показана в Приложении 2 и содержит следующие узлы: схема управления шторкой; схема управления обогревателем; схема управления лазером; датчик температуры лазера; одновибраторы; интерфейс RS-485.

Микроконтроллер осуществляет синхронизацию работы узлов, измерение темновых уровней сигналов датчиков и текущих значений амплитудных уровней сигналов во время проката колеса.

С помощью микроконтроллера, осуществляется также управление шторкой оптического блока, включение и выключение его обогрева, контроль температуры лазера и мощности излучения.

Для совместной работы с компьютером измерительной системы микроконтроллер снабжен интерфейсом типа RS-485.

ВЫБОР ЭЛЕМЕНТНОЙ БАЗЫ ДЛЯ ЭЛЕКТРОННЫХ УЗЛОВ

При выборе электронных элементов и ИМС необходимо обращать внимание на то, какими электрическими и эксплуатационными параметрами обладают те или иные микросхемы, аналогичные по функциональному назначению, например, входное и выходное сопротивление, полоса пропускания сигнала, энергопотребление, быстродействие, разрядность, нагрузочная способность, диапазон рабочих температур, конструктивные особенности, стоимость, и т.п. В нашем случае для этой цели использовалась различная справочная литература, в том числе и техническая документация фирм-разработчиков и изготовителей [5-6].

Входные усилители и схема управления лазером могут быть выполнены на базе операционного усилителя типа ИМС TL072 (SGS - Tomson Microelectronics).

Для Устройства выборки-хранения можно использовать ИМС типа AD781 (Analog Device).

Суммирующий усилитель - ИМС типа OP284 (Burn Brown) - сдвоенный операционный усилитель c полосой пропускания до 4.0 МГц.

Цифровые элементы - схема задержки и одновибратор можно выполнить на базе ИМС ТТЛШ-типа 74НС14 и 74L123 соответственно.

Контроллер - ИМС ATMEGA8 16I (ATMEL) - 8-разрядный микроконтроллер, 8К Flash, 1K SRAM, 512 EEPROM, программирование в системе, питание +4,5--5,5V, корпус DIP28, TQFP32, имеет 2 АЦП, 3 восьмиразрядных цифровых порта ввода-вывода, тактовая частота 16 МГц.

Для управления блоком оптоэлектроники и совместной работы с компьютером измерительной системы микроконтроллер снабжен интерфейсом типа RS-485.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В соответствии с техническим заданием разработана структурная схема оптического блока диагностического комплекса. В последующем она может служить основанием для разработки принципиальной схемы данного блока и изготовления соответствующего электронного устройства.

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ

1. Оптико-электронный комплекс для контроля геометрических параметров движущихся объектов / А.Н. Байбаков, В.М. Гуренко, В.С. Зинченко, Е.А. Константинова, К.И. Кучинский, С.В. Плотников, В.В. Сотников, Ю.В. Чугуй // Оптические методы исследования потоков: Труды VII Межд. науч.-техн. конф., 24-27 июня 2003 г., Москва / Ред.: проф. Ю.Н. Дубнищев, проф. Б.С. Ринкевичюс; РАН, М-во образования РФ, Ин-т теплофизики СО РАН, Московский энергетический ин-т, Оптическое о-во им. Д.С. Рождественского. - М.: Изд-во МЭИ, 2003. - С. 462-465.

2. Обобщение передового опыта тяжеловесного движения: вопросы взаимодействия колеса и рельса: Пер. с англ./ У.Дж.Харрис, С.М.Захаров, Дж.Ландгрен, Х.Турне, В.Эберсен. М.: Интекст, 2002. - 408с.

3. Чугуй Ю.В. Информационные, оптические и лазерные технологии. Автометрия, 1997, № 4,с. 3-15.

4. Датчики теплофизических и механических параметров. Справочник в трех томах. Т1 / Под общ.ред. Ю.Н.Коптева - М.: ИПРЖР, 1999 г.

5. Применение интегральных схем. Практическое руководство в двух книгах. Т. 1-2. Под редакцией А.Уильямса. - М.: Мир, 1987. -413 с.

6. Официальные Интернет-сайты фирм-изготовителей электронных микросхем - Analog Device, Texas Instrument, Atmel, SGS - Tomson Microelectronics, Motorola.

ПРИЛОЖЕНИЕ 1

Структурная схема аналоговой части оптического датчика

ПРИЛОЖЕНИЕ 2

Структурная схема цифровой части оптического датчика

Размещено на Allbest.ru