Содержание к диссертации
Введение
Глава 1 Газовые и доплеровские датчики 13
1.1 Газовые датчики 13
1.2 Доплеровские датчики перемещений и радиовидение 17
1.3 Резюме 20
Глава 2 Повышение точности измерений датчиков 21
2.1. Проблема точности измерения показаний датчика 21
2.2. Переход от проводимости к напряжению 23
2.3. Разработка дифференциальной схемы измерений 26
2.4. Экспериментальная проверка предложенного решения 40
2.5 Резюме 45
Глава 3 Тактированная решетка доплеровских датчиков движения 46
3.1 Доплеровские датчики движения и их применение 46
3.2 Снятие данных 50
3.3 Коммутация. 54
3.4 Управление решеткой 57
3.5 Экспериментальная проверка 66
3.6 Резюме 69
Глава 4 Повышение чувствительности и селективности системы датчиков газоанализа 70
4.1 Функция преобразования полупроводниковых датчиков 70
4.2 Повышение селективности
4.2.1 Сингулярная регуляризация 77
4.2.2 Решение обратной задачи газоанализа
4.3 Управление нагревом датчика 83
4.4 Разработка мультисенсорной системы 93
4.5 Экспериментальная апробация системы газоанализа 97
4.6 Резюме 103
Заключение 104
Список литературы 105
- Доплеровские датчики перемещений и радиовидение
- Разработка дифференциальной схемы измерений
- Снятие данных
- Сингулярная регуляризация
Введение к работе
Актуальность проблемы
Датчик – это средство измерений, предназначенное для выработки
измерительной информации в форме, удобной для передачи, дальнейшего
преобразования, обработки и (или) хранения, но не поддающейся
непосредственному восприятию наблюдателем.
В современных условиях датчики применяются во многих отраслях экономики: в промышленном производстве, добыче и переработке полезных ископаемых, транспорте, сельском хозяйстве, здравоохранении. Работа в области естественных наук не обходится без использования датчиков различного типа. Датчики являются составной частью измерительных приборов, систем автоматизированного управления. Кроме того, они широко применяются и в бытовой технике: телевизоры, мобильные телефоны, холодильные установки, устройства ввода для компьютерной техники, а также прочие приборы, повсеместно используемые современными людьми.
Важным параметром любого датчика является его чувствительность – характеристика, определяемая отношением выходного сигнала к вызывающему его изменению измеряемой физической величины.
В идеализированном случае сколь угодно малое изменение измеряемой величины должно приводить к изменению выходного сигнала датчика в строгом соответствии с функцией преобразования датчика.
На практике подобного не происходит о ряду причин. У реальных датчиков имеется порог чувствительности – наименьшая мера изменения измеряемой величины, приводящая к изменению выходного сигнала. Кроме того, когда речь идет о цифровой обработке данных, выходные данные датчика должны быть подвергнуты аналого-цифровому преобразованию, при этом разрядность АЦП тоже имеет конечную величину. Т. е. не всегда системы обработки получаемой с датчика информации позволяют эффективно использовать чувствительность датчика, уменьшая итоговую точность измерений.
Во многих решаемых в современном мире задачах имеющейся точности измерений достаточно. При диагностике заболеваний достаточно точности измерения температуры тела до десятых долей градуса. Датчики систем дистанционного управления бытовыми приборами не требуют обнаружения и распознания сигнала управления на расстояниях десятков и сотен метров. Имеющиеся средства решают подобные задачи в полном объеме и их дальнейшее улучшение не требуется.
Но в то же время имеются и такие задачи, где по-прежнему требуется повышение точности измерений для более эффективного их решения. Кроме того, в задачах типа определения состава атмосферного воздуха важно не только выявление изменений, но и распознание источников этих изменений.
Цель диссертационной работы
Данная работа имеет своей целью разработку программно-аппаратных методов обработки показаний радиоэлектронных датчиков - микроволновых и газовых, позволяющих повысить их чувствительность и селективность на основе использования наиболее простых и доступных радиоэлектронных средств.
Задачи диссертационной работы
Для достижения указанной цели в работе ставятся следующие задачи:
-
Разработка и реализация схемотехнических решений для измерения выходных данных датчика при малом диапазоне изменении измеряемой величины.
-
Оценка взаимного влияния одновременно работающих микроволновых датчиков перемещения и поиск решений для устранения негативных эффектов.
-
Построение макета тактированной решетки микроволновых датчиков перемещения и проверка его работы совместно с методом синтезирования большой апертуры.
-
Определение функции преобразования полупроводниковых газовых датчиков в области концентрации газов порядка единиц ppb.
-
Адаптация методов решения обратных задач для целей распознания компонентов газовой смеси.
-
Разработка, конструирование и испытание действующего макета измерительного устройства, включающего в себя матрицу полупроводниковых газовых датчиков и программно-аппаратные решения повышения их эффективности.
Методы исследования
Работа основана на получении и обработке данных реальных экспериментов, проведенных на кафедре радиофизики совместно с кафедрой
полупроводниковой электроники радиофизического факультета ТГУ, а также
отделением радиофизики и радиоэлектроники СФТИ ТГУ. В качестве
инструмента для проведения экспериментов использовались разработанные
автором макет тактированной решетки микроволновых датчиков и макет
мультисенсорной системы полупроводниковых газовых датчиков. Совместно с
первым макетом использовались датчики перемещения RSM2650. Совместно со
вторым макетом использовались датчики, разработанные на кафедре
полупроводниковой электроники радиофизического факультета ТГУ, а также датчики производства HANWEI ELECTRONICS CO., LTD. Управление работой макетов и их связь с ПК осуществлялась посредством отладочной платы STM32f4Discovery, необходимое программное обеспечение было написано на языке C# в среде Visual Studio. Трассировка печатных плат осуществлялась в программе Sprint Layout. Для обработки данных использовались известные методы решения обратных задач. Первоначальная отработка методики производилась с использованием математического пакета MathCad.
На защиту выносятся следующие положения
-
Разработанный способ реализации аналогово-цифровой дифференциальной схемы измерения сигналов с автоматической цифровой подстройкой позволяет осуществлять оцифровку показаний тонкопленочных металлооксидных датчиков средствами 12-битного АЦП с точностью, эквивалентной использованию 16-битного АЦП. При многократном повторении разработанной схемы становится достижимо многократное расширение разрядной сетки.
-
Разработанная программно-аппаратная реализация тактированных измерений применима в локационной системе ближнего радиуса действия при опросе антенной решетки с использованием доплеровских датчиков движения. Это дает повышение отношения сигнал-шум снимаемых локационных проекций и, в конечном счете, обеспечивает восстановление радиоизображений методом апертурного синтеза с пространственным разрешением порядка 1 см на частоте зондирования 24 ГГц.
-
Программно-аппаратные средства обработки сигналов, включающие в себя их нормализацию и аппроксимацию по методу наименьших квадратов с регуляризацией, позволяют решать задачу определения состава газовой смеси при использовании тонкопленочных металлооксидных датчиков. Дополнительное использование двойного дифференцирования с усреднением повышает отношение сигнал-шум выходных сигналов и
обеспечивает увеличение реальной чувствительности системы к
обнаружению малых газовых добавок в условиях обычной атмосферы более чем на два порядка.
Достоверность защищаемых положений и других результатов работы
Достоверность первого защищаемого положения основывается на численном моделировании и экспериментальной проверке с использованием лабораторного макета. Эксперименты показали, что при использовании дифференциальной схемы удается получить значения измеряемой величины с точностью до сотых долей от величины наименьшего разряда АЦП.
Достоверность второго защищаемого положения подтверждается экспериментальной проверкой работы тактированной решетки микроволновых датчиков перемещения совместно с использованием метода синтезирования большой апертуры при получении изображения тестового объекта.
Достоверность третьего защищаемого положения подтверждается
результатами численного моделирования и экспериментами с газовыми
смесями. Мультисенсорная система способна определить отдельные
составляющие смеси при условии предварительной калибровки с каждой из составляющих.
Научная новизна работы заключается в том, что в ней впервые
-
Выведена зависимость между изменением объемной концентрации газа и изменением приведенной проводимости чувствительного слоя полупроводникового газового датчика, учитывающая индивидуальные характеристики датчика.
-
Показана возможность повышения качества радиоизображения тестового объекта при использовании решетки микроволновых датчиков перемещения в режиме тактированного включения и опроса.
-
Применен обобщенный метод наименьших квадратов для решения обратной задачи определения состава газовой смеси на основе обработки данных измерений проводимостей мультисенсорной системы тонкопленочных метоллооксидных датчиков.
Научная ценность защищаемых положений и других результатов
работы
-
Установленная зависимость между объемной концентрацией газа и приведенной проводимостью чувствительного слоя после математических преобразований имеет линейный вид, что позволяет пролонгировать ее за пределы области экспериментальных данных в область малых концентраций, где прямые измерения сильно затруднены из-за сложности точного получения малых концентраций эталонного газа.
-
Понижение разрядности используемого АЦП совместно с автоматической дифференциальной схемой измерений ведет к уменьшению объема данных при оцифровке, что позволяет увеличить скорость работы при цифровой обработке данных и упростить задачу работы в реальном времени, а также уменьшить себестоимость системы в целом. Точность измерений при этом сохраняется.
-
Установлено, что, несмотря на различие индивидуальных характеристик датчиков, связанных с технологическими допусками при изготовлении, относительный отклик датчиков из одной партии на воздействие газовой смеси после нормализации по максимуму становится одинаковым.
Практическая значимость результатов работы
-
Обнаруженная зависимость между объемной концентрацией газа и проводимостью чувствительного слоя датчика, а также линейность этой зависимости после математических (алгебраических) преобразований, позволяют производить калибровку измерительного устройства на относительно высоких концентрациях и в дальнейшем использовать его для пролонгации в область более низких концентраций газов.
-
Предложенное конструктивное решение позволяет уменьшить себестоимость устройства за счет использования менее точного АЦП при сохранении достаточной точности конечного результата.
-
Представленный макет мультисенсорной системы газовых датчиков позволяет определять состав газовой смеси и концентрации ее составляющих. Это позволяет использовать ее для таких целей, как системы безопасности, контроль качества овощной продукции на складах, а также в парфюмерии и медицине.
Использование и внедрение результатов работы
Результаты работы были использованы при выполнении следующих проектов министерства науки и образования:
«Разработка физических и математических основ радиоволновой подповерхностной томографии для комплексного анализа земных покровов в геофизике», Грант, РК 01201365422, (2013-2015), рук. Якубов В.П.
«Физико-математическая модель радиолокационного томографа», АВЦП, РК 01200901345, (2009-2011), рук. Якубов В.П.
«Исследование волновых процессов в неоднородных средах и создание основ радиовидения высокого разрешения с использованием метода синтезирования апертуры», ФЦП, РК 01201061836, (2010-2012), рук. Якубов В.П.
«Радиоволновой томосинтез неоднородных сред и объектов», Госзадание Минобрнауки России, РК 01201257789, (2012-2014), рук. Якубов В.П.
Гражданско-правовой договор № 09-3-13 на выполнение составной части НИР по государственному оборонному заказу (шифр «Сенсор-1») от 5.07.13, (2013-2015), рук. Потекаев А.И.
«Разработка мультисенсора для газовой диагностики и логистики плодоовощных продуктов», инновационный проект по молодежной программе «УМНИК», дог. № 1924ГУ1/2014, (2014-2016), рук. Муксунов Т.Р.
Апробация результатов
Основные положения и результаты диссертационной работы отражены
в 11 публикациях, из которых 3 относятся к перечню ВАК РФ [1-3], 1 - к
прочим научным изданиям [4], 7 - к трудам конференций [5-11]. Все основные
результаты диссертации широко обсуждались на 5 всероссийских и
международных научных конференциях: III Научно-практической конференции
"Информационно-измерительная техника и технологии" (Томск, 2014), V
Научно-практической конференции с международным участием
"Информационно-измерительная техника и технологии" (Томск, 2014), VI
Научно-практической конференции с международным участием
"Информационно-измерительная техника и технологии" (Томск, 2015), 24-ой
Международной Крымской конференции «СВЧ-техника и
телекоммуникационные технологии» (КрыМиКо’2014), III всероссийской конференции «Электроника и микроэлектроника СВЧ».
Личный вклад автора
Автор самостоятельно проводил разработку схемотехнических решений, осуществлял сравнение и анализ их различных вариантов. Лично
проводил адаптацию и доработку методов обработки сигналов для конкретных условий на программном и аппаратном уровне. Автором осуществлялся монтаж лабораторных макетов, их тестирование и отладка до работоспособного состояния. На макетах проводилась экспериментальная проверка разработанных методов обработки показаний двух типов датчиков.
Совместно с научным руководителем работы д.ф.-м.н. профессором В.П. Якубовым был определен план диссертационной работы, выработан план исследований, им осуществлялся контроль результатов на всех этапах исследований. Помощь по работе с микропроцессорной техникой и написанием программного обеспечения оказал сотрудник кафедры радиофизики аспирант И.Ю. Кузьменко. В консультациях насчет тактированного режима работы микроволновых датчиков принимали участие к.ф.-м.н. С.Э. Шипилов и научный сотрудник СФТИ ТГУ к.ф.-м.н. И.С. Федянин. Сотрудниками кафедры полупроводниковой электроники д.ф.-м.н. Н.К. Максимовой и к.ф.-м.н. И.Ю. Севастьяновым были предоставлены новейшие полупроводниковые газовые датчики, а также даны консультации по особенностям их работы. Значительную помощь в организации взаимодействия между разными структурными подразделениями оказали директор СФТИ ТГУ А.И. Потекаев и ст. н. сотрудник СФТИ ТГУ В.А. Светличный.
Автор диссертации выражает свою искреннюю благодарность всем
упомянутым выше лицам, а также всему профессорско-преподавательскому
составу кафедры радиофизики ТГУ и отделения радиофизики и
радиоэлектроники СФТИ ТГУ за их благожелательное отношение и участие в обсуждении результатов работы.
Публикации
По теме диссертационной работы опубликовано 11 печатных работ, из них 3 – в периодических изданиях, рекомендованных ВАК РФ для публикации основных результатов диссертации.
Структура и объем диссертации.
Доплеровские датчики перемещений и радиовидение
Качество пищевой продукции является актуальной в современном мире проблемой, для решения которой ведутся изыскания как в области контроля в процессе производства [2,3], так и в области анализа готового продукта [4-6]. Имеющиеся разработки для оценки качества направлены на лабораторный анализ, результаты которого являются в достаточной мере точными и объективными. Но сама процедура при этом занимает длительное время, порядка нескольких суток [7], и потому непригодна для оперативной проверки поступающей продукции в условиях интенсивного товарооборота.
На сегодняшний день не имеется инструментальных средств для быстрой проверки ввозимой плодоовощной продукции и потому проводящий ее работник должен полагаться исключительно на собственные органы чувств, что делает результат излишне субъективным. Кроме того, на эффективность работы органов чувств человека немалое влияние способны оказывать его физическое и эмоциональное состояние, что делает результат такой работы еще менее точным [8].
Кроме того, человек способен точно отличить полностью испорченный плод от пригодного в пищу. Н при этом, он не может дать ответ на вопрос, сколько еще можно хранить свежий плод и насколько срочно его нужно направлять на реализацию. В результате может возникнуть ситуация, при которой оставленные для хранения на складе продукты пришли в негодность, в то время как на реализацию были направлены те, что смогли бы сохранить свою свежесть во время распродажи другой партии.
Эти проблемы могло бы решить наличие инструментальных средств контроля, позволяющих объективное количественное измерение какого-либо параметра продукции, что позволило бы дать точный и однозначный ответ о степени свежести ввозимой плодоовощной продукции. Примером такого параметра может быть состав выделяемых плодом газов, таких как сероводород, аммиак, углекислый газ и др. Чем дольше зашли процессы, предшествующие гниению и разложению в еще свежем плоде, тем больше концентрация выделяемых им газов.
На сегодняшний день существуют датчики, способные измерять концентрацию газов, например, датчики полупроводникового типа. Полупроводниковые датчики обладают ограниченной селективностью, но при этом обеспечивают длительную работу в необслуживаемом режиме, просты, сравнительно дешевы и обладают малыми массогабаритными показателями. Кроме того, они обладают наибольшим быстродействием и высокой чувствительностью. Поэтому наиболее предпочтительным для мониторинга газовых сред представляется применение полупроводниковых датчиков, благодаря их высокому быстродействию, чувствительности к малым концентрациям, высокой технологичности изготовления и низкой стоимости [9].
Однако в открытых источниках не содержится информации об успешном применении подобного типа устройств для нужд представленной задачи. Использовать их напрямую, без дополнительной аппаратной и программной обработки показаний не представляется возможным.
Из-за особенностей физических принципов, лежащих в основе работ таких датчиков, невозможно изготовить датчик, реагирующий строго на один-единственный газ [10-11]. Полупроводниковые датчики всегда будут чувствительны к широкому спектру веществ, и если добиться их наибольшей чувствительности именно к измеряемому газу еще можно, то полностью исключить его реакции на все посторонние вещества нельзя в принципе. Из-за этого показания датчика при работе сразу со смесью различных газов всегда будут содержать неопределенность, связанную с невозможностью различить влияние каждого отдельного компонента. Нельзя однозначно определить, вызвано ли одно и то же показание присутствием одного газа в высокой концентрации, или же наличием набора разных газов, каждый из которых по отдельности обладает низкой концентрацией. Для решения этой проблемы предлагается одновременное использование нескольких датчиков с разной чувствительностью к анализируемым газам, что позволит обойти проблему невозможности создания датчика, обладающего избирательной чувствительностью только к одному газу. Отклик каждого из датчиков будет складываться из откликов на каждый из компонентов газовой смеси и задача определения концентрации каждого из них может быть сведена к задаче решения системы уравнений. Это является классическим примером обратной задачи, и в настоящей диссертационной работе для данного частного случая (газоанализ) будет произведена адаптация имеющихся методов решения.
Еще одной сложностью является измерение показаний датчика при небольших концентрациях измеряемого газа, когда относительное изменение выходных показаний не превышает величины в 10%. При этом, величина исходных показаний, при отсутствии измеряемого газа не является постоянной, сильно зависит от «фонового» состава атмосферы, ее температуры и влажности. Влияние данных факторов столь существенно, что вызываемые ими изменения выходных показаний могут быть много больше, чем изменения, вызванные появлением измеряемого газа. Одной из задач настоящей диссертационной работы ставится разработка решения данной проблемы.
Кроме того, существенной проблемой является переходная характеристика датчика, носящая не линейный, а степенной характер, причем показатель степени зависимости показаний от концентрации газа не постоянен и варьируется для разных газов и датчиков [12]. Таким образом, одной из задач настоящей работы ставится определение функции преобразования используемых полупроводниковых газовых датчиков в области концентрации газов порядка единиц ppb. На сегодняшний день ведутся интенсивные исследования, направленные на повышение чувствительности и избирательности полупроводниковых газовых датчиков, путем совершенствования технологии их изготовления [13-14]. Но повышения чувствительности и избирательности использующего такие датчики измерительного устройства можно добиться не только за счет улучшения самих датчиков, но и путем дополнительной обработки их выходных показаний, как на программном, так и на аппаратном уровне. Другими словами, в настоящей работе предлагается более полно использовать имеющиеся возможности полупроводниковых газовых датчиков. К настоящему моменту имеются исследовательские работы, направленные на повышение чувствительности и селективности в задачах газоанализа за счет совершенствования методов обработки результатов, но предназначены они для использования совместно со спектрометрами [15-16], которые, по сравнению с полупроводниковыми датчиками, обладают значительно большей стоимостью и массогабаритными характеристиками.
Разработка дифференциальной схемы измерений
В отличие от ошибки, вызванной напряжением смещения, ошибка, обусловленная коэффициентом ослабления синфазного сигнала, зависит от уровней входных сигналов и потому не является постоянной по абсолютной величине. В связи с этим, ее нельзя компенсировать путем добавления или вычитания из входного сигнала соответствующей постоянной величины -она должна меняться каждый раз, когда изменяется величина синфазной составляющей. Поэтому, более рациональным является на аппаратный, а программный способ компенсации данной ошибки: При измерении уровня выходного сигнала, из него необходимо вычесть величину синфазной составляющей, умноженной на соответствующий коэффициент. Поскольку в рассматриваемой задаче сигнал на один из входов усилителя подается с выхода ЦАП и представляет собой постоянное значение, его величина и будет являться синфазной составляющей двух сигналов и ее дополнительное измерение не требуется.
Еще одним источником ошибки являются резисторы в цепях обратной связи, задающие коэффициент усиления дифференциального усилителя, из-за наличия у них допусков по номиналу. Имеющиеся отклонения сопротивления от номинального значения изменяют коэффициент усиления, поскольку он задается соотношением сопротивлений резисторов в цепи обратной связи. Кроме того, нарушение точного равенства между соотношением сопротивлений в цепях инвертирующего и неинвертирующего входов операционного усилителя вносит дополнительное нарушение в режим его работы как дифференциального усилителя.
Как видно из формулы, только при строгом соблюдении равенств R1=R3 и R2=R4 множители передV будут равны и общая составляющая входных сигналов будет полностью вычтена из выходного сигнала. Это означает, что из-за разбалансировки внешних сопротивлений не удается добиться усиления только разности между входными сигналами – сигнал на выходе будет небольшую часть синфазной составляющей. Величина этой составляющей зависит от того, насколько сильно нарушено равенство соотношения сопротивлений резисторов во входных цепях. Для решения этой проблемы необходимо предусмотреть возможность подстройки значения одного из резисторов. Этого можно добиться путем замены постоянного резистора с сопротивлением R на последовательно соединенные постоянный резистор и потенциометр, как показано на рис. 2.10. Если подобрать их сопротивления так, чтобы сопротивление постоянного резистора составляло величину, чуть меньшую, чем R, а общее сопротивление потенциометра было порядка 10-20% от R, то это позволит регулировать общее сопротивление с высокой точностью.
Номиналы постоянного резистора и потенциометра должны выбираться с учетом допусков использующихся в цепях обратной связи резисторов с тем, чтобы сохранить возможность балансировки для крайних случаев, когда отклонение сопротивления от номинальных значений является максимальным у всех резисторов.
В рассматриваемом случае относительные допуски влияют на уровень напряжения средней точки делителя и складываются между собой мультипликативно. Поэтому, для балансировки двух делителей достаточно заменить резистор с наибольшим сопротивлением R на постоянный резистор сопротивления (i-2) R и потенциометр сопротивления 4S R, где 8 -наибольший из относительных допусков используемых резисторов. Поскольку точные значения номиналов могут соответствовать только числам из стандартных рядов номиналов, для постоянного резистора должен быть взят наиболее близкий номинал снизу, а для потенциометра – наиболее близкий номинал сверху.
Осуществление подобной замены позволит выровнять соотношение плеч делителей напряжения во входных цепях усилителя. Необходимо отметить, что после балансировки, обеспечиваемый ими коэффициент усиления с высокой вероятностью будет несколько отличаться от изначально запланированного, и он должен быть рассчитан заново, исходя из фактических значений сопротивлений.
С учетом сделанных правок, принципиальная электрическая схема усилителя примет представленный на рис. 2.11 вид.
На рис. 2.15 представлены данные, оцифрованные средствами того же АЦП, но взятые с выхода дифференциального усилителя. Выделенные изломы графика соответствуют моментам изменения генерируемого ЦАП уровня напряжения, подаваемого на один из входов усилителя. Это необходимо для того, чтобы усилитель не переходил в режим насыщения. Контроль этого процесса осуществлен на программном уровне. При измерении данных с выхода усилителя производится сравнение с пороговыми значениями, выход за пределы которых означает приближение к границам рабочего диапазона АЦП. В этом случае производится корректировка уровня напряжения, генерируемого ЦАП, вызывающая резкое изменение сигнала на выходе усилителя в сторону приближения к середине рабочего диапазона АЦП. Рис 2.15. Данные с выхода дифференциального усилителя
При сравнении графиков на рис. 2.14 и 2.15 видно, что сигнал на выходе усилителя инвертирован. Это обусловлено тем, в проведенном эксперименте сигнал от датчика поступал на инвертирующий вход усилителя, вычитаясь, таким образом, из генерируемого ЦАП сигнала.
Поскольку передаточная характеристика усилителя известна, как и все входящие в ее состав переменные, можно осуществить процедуру обратного преобразования с целью восстановить исходные данные. На рис. 2.16 представлено сравнение напрямую измеренных показаний датчиков и результата их восстановления после измерения данных на выходе усилителя. Из рисунка видно, что вычисленные значения повторяют по форме результат прямого измерения, но при этом обладают меньшей шумовой составляющей.
Снятие данных
Как видно из рисунка, одноименные выходы мультиплексоров подключены к общей шине, соединенной со входами АЦП (обозначены как ADC 1 и на ADC 2). Проектируемая антенная решетка будет работать в тактированном режиме и в каждый момент времени будет включен только один датчик. Поэтому такое соединение не вызовет наложения друг на друга выходных сигналов разных датчиков.
Функциональная схема всей антенной решетки представлена на рис. 3.16. Микроконтроллер генерирует команды управления, которые в последовательном режиме передает на преобразователи. К ним параллельно подключены блоки коммутации датчиков и входы управления мультиплексора. Показания датчиков, прошедшие через блоки усиления, отправляются на шину данных посредством мультиплексора. Последовательно-параллельный И Последовательно-параллельный
Из функциональной схемы видно, что блоки, обеспечивающие управление коммутацией датчиков и связывающие их с шиной данных полностью идентичны. Добавление каждого нового такого блока позволяет увеличить число датчиков в решетке на 4.
На программном уровне при этом требуется увеличение размера управляющей команды. Каждым 4 датчикам требуется 8 бит или 1 байт данных, при этом каждый байт формируется одинаковым образом, в соответствии с таблицей 1. Стоит обратить внимание, что изодин из каждых восьми бит команды остается незадействованным. Теоретически, можно «уплотнить» команду управления, чтобы использовать все передаваемые данные, но это также потребует изменений в электрическом подключении управляемых элементов. Поскольку в этом случае будет потеряно единообразие подключения новых модулей, задача увеличения числа датчиков в решетке будет существенно осложнена.
На рис. 3.17 приведена трассировка печатных плат, реализующих представленную на рис. 3.15 схему.
Спроектированные платы позволяют изготовить антенную решетку, включающую в себя 8 доплеровских датчиков RSM2650. Как видно из рисунка, необходимые для работы датчиков элементы решетки разнесены на две отдельные платы. Верхняя плата предназначена для крепления самих датчиков и несет на себе блоки усиления сигнала, согласования его уровня с рабочим диапазоном АЦП, а также осуществляющие коммутацию датчиков ключи. Нижняя плата содержит мультиплексоры, передающие показания датчиков на АЦП, а также микросхемы последовательно-параллельного преобразования, служащие передаточным звеном между всеми перечисленными блоками и управляющим их работой микроконтроллером.
Платы спроектированы таким образом, чтобы при необходимости увеличения числа датчиков в решетке достаточно было изготовить дополнительные экземпляры плат, и последовательно соединить между собой полученные антенные решетки.
На рис. 3.21 представлена антенная решетка, собранная из 2 показанных на рис. 3.20 модулей, включающая в себя 16 доплеровских датчиков. Решетка закреплена на системе позиционирования, обеспечивающей ее перемещение по вертикальной и горизонтальной осям. Управление работой всей системы в целом и сбор данных антенной решетки осуществляет микропроцессорный отладочный модуль STM32f4Discovery. Необходимый для работы решетки эффект Доплера обеспечивается за счет перемещения решетки относительно неподвижного исследуемого объекта.
Обработка данных осуществлялась в соответствии с разработанными на кафедре радиофизики методами восстановления радиоизображений. На рис. 3.22 приводится радиоизображение тестового объекта (металлической трубы), полученное при использовании тактированного режима и без такового. Взаимное расположение антенной решетки и тестового объекта показано на рис. 3.22.
Необходимо отметить, что разработанная в разделе 3.4 аппаратная часть решетки не позволяет снимать данные одновременно с двух смежных датчиков, но при этом позволяет одновременно их включить. Это значит, что возможно провести сравнение показаний при одновременной работе датчиков и в тактированном режиме.
Радиоизображение металлической трубы а) при одновременной работе датчиков б) в тактированном режиме. Как видно из рисунка, изображение полученное при использовании тактированного режима является более четким, чем при одновременной работе датчиков. Следующий эксперимент заключается в восстановлении радиоизображения объекта сложной формы при работе антенной решетки в тактированном режиме. На рис. 3.23 приводится сам исследуемый объект и его радиоизображение.
Тестовый объект – фотография (а) и его радиоизображение (б) Тестовый объект представляет из себя ступенчатый треугольник, изготовленный из гипсокартона и покрытый металлической фольгой. Длина граней ступенек равна 5 см. Также, в центре треугольника имеется квадратное отверстие размерами 2х2 см. Перечисленные детали отчетливо различимы у восстановленного радиоизображения. Это позволяет говорить об эффективности предложенного метода реализации тактированной антенной решетки. В сочетании с использованием метода синтезирования большой апертуры это обеспечивает разрешение радиоизображений с точностью порядка 1 см на частоте зондирования 24 ГГц.
Разработанные программно-аппаратные средства тактирования ДДП, объединяемых в антенную решетку увеличивают отношения сигнал-шум радиоволновых измерений, что в целом обеспечивает повышение чувствительности и селективности СВЧ датчиков. Достигаемое при этом пространственное разрешение радиоизображений оценивается величиной порядка 1 см, что близко к дифракционному пределу на частоте зондирования 24 ГГц.
Сингулярная регуляризация
Поскольку в настоящей работе речь идет о мультисенсорной системе, разрабатываемый макет должен обеспечивать одновременную работу нескольких датчиков. По итогам проведенной работы, каждый из используемых в системе датчиков требует следующих ресурсов управляющей системы: – два канала АЦП и один канал ЦАП для дифференциальной схемы измерения показаний (приводится в главе 2); – два канала АЦП для обеспечения обратной связи с системой управления нагревом; – три вывода для обеспечения управления по интерфейсу SPI. Итого необходимо 4 канала АЦП, 1 канал ЦАП и 3 вывода для реализации связи по интерфейсу SPI.
Если проектировать мультисенсорную систему из расчета 8 газовых датчиков, то одновременная работа с ними в параллельном режиме потребует чрезмерное количество аппаратных ресурсов управляющей системы. Для решения этой проблемы предлагается использовать тактированный режим работы мультисенсорной системы, аналогичный представленному в главе 3, что позволит производить не параллельный, а последовательный опрос задействованных в системе датчиков. Блок-схема предлагаемого варианта реализации представлена на рис. 16. Микроконтроллер
Для реализации такой схемы необходимо 4 мультиплексора: 2 для линий обратной связи с системой управления нагревом, 1 для измерения показаний датчика и передачи их на дифференциальную схему измерений и 1 для канала ChipSelect интерфейса SPI. Тактирующий и информационный каналы интерфейса SPI к модулям управления датчиками подключаются от общей шины и передаваемые по этому интерфейсу команды приходят сразу ко всем модулям, но используются только тем из них, кто получил разрешающий сигнал по мультиплексированному каналу ChipSelect. Дополнительным требованием от общей системы управления становится необходимость управления мультиплексорами. Если соединить между собой управляющие входы используемых мультиплексоров, то достаточно 4 дополнительных выводов контроллера, которые будут управлять сразу всеми из них.
На рис. 17-18 представлена трассировка печатных плат окончательного варианта макета мультисенсорной системы. Нижняя печатная плата содержит восемь модулей управления датчиками, расположенных группами по 4 с двух сторон платы, а также 4 мультиплексора, обеспечивающих связь между модулями управления и микроконтроллером, управляющим работой всей системы в целом.
Верхняя плата содержит представленный в главе 2 модуль дифференциальных измерений, и место крепления для отладочной платы STM32f4Discovery, несущей на себе управляющий мультисенсором микроконтроллер с набором необходимой периферии. Кроме того в правой части платы расположен стабилизатор напряжения питания, подаваемого на измерительное устройство. Рис. 4.18 Верхняя печатная плата мультисенсора На рис. 19-21 приводятся фотографии отдельных печатных плат и готового устройства, готового к подключению камеры с полупроводниковыми датчиками и проведению экспериментов, направленных на подтверждение приведенных ранее теоретических выкладок.
Как видно из графика, весь процесс состоит из трех характерных участков. Линейный ход до добавления газа в камеру, обусловленный условиями атмосферы во время проведения эксперимента. В зависимости от таких параметров как влажность, температура и состав воздуха, наклон линейного участка может изменяться вплоть до смены знака.
При появлении в камере малой газовой добавки на графике появляется отчетливый перегиб (обозначен стрелкой), вызванный изменением проводимости чувствительного слоя датчика при адсорбции на нем впрыснутого в камеру газа.
Третий участок графика вновь является линейным, что объясняется восстановлением датчика после прекращения контакта с измеряемым газом. Необходимо отметить, что наклон прямой совпадает с наклоном на начальном участке графика.
Из графика видно, что помимо полезного сигнала присутствует и шумовая составляющая, но при этом момент изменения характера хода кривой все равно легко различим. Дальнейшая обработка данных осуществляется путем сглаживания методом скользящего среднего и взятия производной от полученного результата, что позволит избавиться от неинформативных участков графика [90]. Но, поскольку наклон линейных участков кривой может быть различен, соответствующие участки производной будут представлять собой постоянный уровень различной величины. Чтобы привести обрабатываемые данные к единому виду, предлагается еще раз взять производную. Производная второго порядка от линейной функции обращается в ноль независимо от угла наклона кривой. При этом, как видно из рис. 23 на участке графика, соответствующем периоду воздействия газа по-прежнему будет отчетливый выброс, направление которого зависит от типа воздействующего газа. Подобное поведение демонстрируют все задействованные в мультисенсорной системе датчики, что показано на примере 4 из них. Показания оставшихся 4 датчиков не приводятся из соображений сохранения легкости восприятия.