Научная деятельность

Краткая аннотация передовых научных работ сотрудников кафедры

Научное направление кафедры: "Исследование и разработка алгоримических, программных и аппаратных средств локальных и рапределенных микрокомпьютерных систем сбора, обработки информации, мониторинга и управления.".

РЕЗУЛЬТАТЫ исследований и разработок кафедры встраиваемых и радиоприемных систем ЮФУ в области создания интеллектуальных датчиков давления

В результате исследований и разработок, проведенных на кафедре микропроцессорных систем Технологического института в г.Таганроге Южного федерального университета в области создания перспективных интеллектуальных датчиков давления, получены следующие основные результаты:

Разработана новая пространственная мультисегментная модель градуировочной характеристики ИДАД. Модель автоматически учитывает влияние температуры, гистерезиса, температурного ухода нуля, нелинейности градуировочной характеристики при измерении давления. Апробация разработанного подхода осуществ-лялась методами компьютерного моделирования с использованием данных градуировочных испытаний 3-х модификаций ЧЭ для датчиков абсолютного давления. Компьютерное моделирование показало, что пространственная мультисегментная модель градуировочной характеристики позволяет проводить вычисления давления в интеллекту-альном датчике абсолютного давления с высокой точностью (приведенная погрешность порядка 0,03% в температурном диапазоне -40 С 80 С и во всем заданном диапазоне давлений ).
Разработаны прецизионные микропроцессорные алгоритмы и программы, обеспечивающие погрешность вычисления абсолютного давления не выше 0,13% во всем диапазоне температур от -40 С до 80 С. Апробация алгоритмов, проведенная методами компьютерного моделирования и реального расчета на исследовательском стенде с использованием микроконтроллера MSP430 показала их высокую эффективность.
Разработан перспективный базовый вариант интеллектуального датчика абсолютного давления (ИДАД), состоящий из следующих модулей:

модуль чувствительного элемента (МЧЭ);

прецизионный аналоговый модуль (ПАМ);

модуль аналого-цифрового преобразования (МАЦП);

микропроцессорный модуль (МПМ);

модуль сетевого обмена информацией (МСОИ);

модуль аналогового вывода информации (МАВИ).

Базовый вариант ИДАД конфигурируется под конкретную реализацию (ЧЭ, динамический диапазон давлений, температур, частота съема и обработки сигнала и др.) и обладает развитой функциональностью, включая:

прецизионную аналоговую обработку измеряемого сигнала с адаптацией к особенностям конкретного ЧЭ (компенсация технологической погрешности изготовления ЧЭ и др.)

высокоточную цифровую обработку измеряемого сигнала с учетом внешних и внутренних факторов, определяющих систематическую погрешность измерений (темпера-тура окружающей среды, дрейф нуля, нелинейность градуировочной характеристики, гис-терезис);

диагностику функциональных компонентов ИДАД, включая проверку работоспособности ЧЭ, ПАМ, обоих микроконтроллеров ИДАД при их автономной и совместной работе, диагностику внутреннего канала межмодульной цифровой связи;

прецизионную автокалибровку измерительных каналов с контролем состояния усилительных трактов;

загрузку программ и конфигурационных данных в двух подрежимах:: подрежиме внутрисистемного программирования и отладки кодов программ и подрежиме командной загрузки конфигурационных данных;

передачу результатов измерений с использованием аналоговых интерфейсов- "Токовая петля - 20мА" и выход по напряжению "0-5В", сетевых интерфейсов RS-484, RS-232, RS-422 с использованием протокола MODBUS;

конфигурирование и управление функционированием ИДАД с помощью инстру-ментального персонального компьютера.

4. Разработан прецизионный аналоговый модуль, обеспечивающий:

прецизионную аналоговую обработку сигналов каналов давления и температуры чувствительного элемента, повышающая эффективность разрядной сетки АЦП;

компенсацию технологической погрешности изготовления чувствительного эле-мента;

динамическую диагностику чувствительного элемента и аналогового модуля;

минимизацию влияния температурной погрешности элементов аналогового модуля на точностные характеристики ИДАД, что исключает повторный цикл испы-таний ЧЭ в составе ИДАД;

определение скорости изменения давления с точностью, достаточной для оценки поведения объекта с максимальным быстродействием, что позволяет использовать ИДАД в системах адаптивного управления.

5. Разработан базовый микроконтроллерный модуль ИДАД, имеющий следующие основные характеристики:

Количество измерений в секунду - до 100.
Разрядность выдаваемых данных по цифровому каналу - 16
Число дискретных каналов ввода - 2.
Количество каналов аналого-цифрового ввода - 7, в том числе,
- 2 функциональных канала и 5 контрольных
- Частота дискретизации - до 100Гц, разрядность АЦП - 12
Количество выходных каналов цифро-аналогового преобразования - 1:
- Частота дискретизации - до 100Гц,
- Разрядность ЦАП - 12 .
Число аналоговых выходных интерфейсов -2.
Типы аналоговых интерфейсов- "Токовая петля - 20мА" и выход по напряже-нию "0-5В".
Число дискретных каналов вывода - 2.
Число цифровых последовательных каналов - 2, в том числе,
- синхронный последовательный канал связи SPI,
- асинхронный последовательный канал связи, тип которого задается переключателями (RS232/ RS485/ RS422)
Сетевой протокол связи по цифровому каналу - MODBUS
Количество цифровых технологических каналов - 1 (Интерфейс JTAG для программирования и отладки ПО модуля)
Ядро обработки и управления модулем - 16-разрядный микроконтроллер MSP430F1611 с установленными на кристалле 48кБ+256 байт FLASH-памяти и 10 кбайт ОЗУ.
Режим основной работы: программно-управляемый от ПК со встроенной про-граммно-аппаратной поддержкой службы реального времени.
Потребляемая мощность в режиме измерения при полной нагрузке- не более - 250 мВт.
Конструктивное исполнение - многослойная печатная плата с 4 разъемами (два функциональных, один технологически)

6. Разработана архитектура исследовательского стенда, предназначенного для экспериментальной апробации и отработки структурных и схемотехнических решений, алгоритмического и программного обеспечения, лабораторных испытаний ИДАД и демонстрация его функциональных возможностей. Стенд может быть положен в основу создания специального метрологического оборудования интеллектуальных датчиков.

sc2