Блок цифровой обработки уровнемера на основе импульсного метода измерения расстояния

(3.21)

Отмеченное обстоятельство является следствием вытеснения значительной части объёма за пределы указанной области, в которой возможно использование стробоскопической обработки сигналов.

Таким образом, стробоскопическая обработка радиосигналов позволяет сочетать высокое разрешение по дальности м и менее) с возможностью селекции по скорости малоподвижных объектов (V=10-50 км/час), что предполагает ее эффективное использование в системах ближней локации при зондировании малоподвижных объектов. При стробоскопической обработке следящий принцип измерения изменяется. При обработке имеются отдельные отсчёты импульса с растянутым временным масштабом [18].

На основе стробоскопического метода обработки сигнала можно выделить три метода измерения времени задержки импульсов:

1) метод максимума;

2) оптимальный алгоритм измерения времени задержки;

3) метод параболической аппроксимации.

Два последних метода основаны на обработке простейших импульсных сигналов с заданным законом амплитудной модуляции и неизвестным параметром (=ф), определяющим временное положение пачки импульсов, так как именно такой вид имеют растянутые импулься после стробоскопической обработки. При этом задача точного измерения параметра имеет смысл при условии, что предварительно выполнена операция поиска и селекции импульсов, передающих амплитудную информацию, так что полезный сигнал представляет собой дискретную функцию вида:

, (3.22)

где д - функция используется для описания периодической последовательности импульсов с известным временным положением, форма которых не играет роли с точки зрения дальнейшей обработки сигнала. Так как вся информация заложена только в амплитудах импульсов.

Выражение для первого алгоритма обработки принимаемой реализации имеет вид [7]:

|ф=, (3.23)

где - выборочные значения реализации в дискретные моменты времени, соответствующие известным моментам прихода сигнальных импульсов; - весовые коэффициенты, вычисляемые заранее для дискретных значений параметра .

Рисунок 3.26 - Временные диаграммы, поясняющие определение весовых коэффициентов в оптимальном алгоритме дискриминирования:

а) б) в)

Для упрощения аппаратной реализации устройства дискриминирования удобно принять интервал дискретизации параметра равным периоду повторения импульсов Ти, так как из аналитического определения коэффициентов в (3.10) следует, что и алгоритм (3.23) в этом случае можно записать в виде:

, (3.24)

Таким образом, оптимальный алгоритм дискриминирования в устройствах измерения временного положения пачки импульсных сигналов сводится к весовому суммированию выборочных значений сигнала [7].

Второй алгоитм заключается в нахождении в массиве дискретных отсчётов растянутого импульса положения максимального отсчёта. Затем в качестве вспомогательных точек берём два соседних отсчёта. Далее проводим параболическую аппроксимацию формы огибающей полученных отсчётов в окрестности максимального отсчёта. Для этого задаёмся уравнением параболы и по нему записываем уравнение для каждого выбранного отсчёта. В итоге получаем систему линейных уравнений относительно неизвестных коэффициентов , и :

Решим и найдём нужные нам значения коэффициентов. Затем найдём положение экстремума аппроксимирующей параболы:

Третий метод является оптимальным методом обработки, и поэтому стоит ожидать, что он даст хорошую точность и помехоустойчивость. Однако он гораздо сложнее в реализации и требует большего времени для обработки сигнала. Далее рассмотрим возможности использования обоих этих методов, так как они реализуются на основе микропроцессора в программной форме.

4. Расчетная часть

4.1 Разработка и расчет структурной схемы уровнемера

Структурная схема является наглядным отображением теоретического представления о разрабатываемом устройстве и об алгоритме работы, как его аппаратной, так и программной частей вместе. Эта схема проектируется на основании описанных ранее теории измерения уровня и способа измерения задержки СКИ сигналов в уровнемере на основе стробоскопической обработки сигнала.

В составе устройства можно выделить три части:

1) СВЧ-часть, куда входят: генератор СВЧ, вентиль, передающая и приёмная антенны, малошумящий усилитель, амплитудный детектор, приёмопередающий модуль «Пикор-1»;

2) часть формирования и обработки сигнала: аналого - цифровой преобразователь (АЦП), цифровой сигнальный процессор (ЦСП), микропроцессор (МП), микроконтроллер (МК), постоянное запоминающее устройство (ПЗУ), оперативная память (ОЗУ), электрическое перепрограммируемое запоминающее устройство(ЭПЗУ).

3) внешний интерфейс: клавиатура, индикатор, интерфейс RS-485.

Итак, разработку структурной схемы целесообразно начать с передающей части уровнемера. Что касается приемной части, то здесь разработка будет двигаться от приемной антенны вглубь устройства.

Итак, первый элемент приемной части СВЧ-блока - это приемная антенна. Так как условия эксплуатации уровнемера заранее неизвестны, то есть неизвестен, в том числе, и коэффициент отражения измеряемой среды, то уровень отраженного сигнала может колебаться в некотором интервале.

Для того, чтобы обеспечить его постоянство и усилить сигнал с антенны, необходимо применить малошумящий усилитель СВЧ - диапазона. Для того, чтобы мы используем малошумящий усилитель MAY615G. Он выполнен в виде встраиваемого модуля (по отдельному заказу может быть выполнен в виде отдельного устройства с интерфейсами управления USB, Ethernet) на базе HMC963LC4 Hittite. Технические характеристики усилителя:

- увеличивает сигнал в диапазоне от 1 до 15 ГГц;

- уровень собственных шумов -3дБ;

- коэффициент усиления 22дБ;

- напряжение питания - 3.5В;

- потребляемая мощность -0.3Вт.

Основу СВЧ части составляет приёмопередающий модуль «Пикор-1».

Такой модуль является базовым и его технические характеристики приведены ниже [20]:

- длительность зондирующих импульсов 300 пс;

- частота повторения импульсов от 1,5 до 100 МГц;

- спектральная плотность мощности при частоте повторения импульсов 48 МГц от -65 до -60 дБм/МГц;

- спектр излучаемого сигнала по уровню -3 дБ 2,85-10 ГГц;

- разрешающая способность до 4 мм;

- потребляемая мощность менее 150 мВт.

Данным приемо-передающим модулем генерируются СКИ сигналы с формой 1-й производной функции Гаусса без заполнения несущей. Изменение частоты повторения импульсов в широких пределах позволяет регулировать спектральную плотность мощности с уменьшением её уровня на 3 дБ при уменьшении частоты повторения импульсов в 2 раза. Таким образом, крайне малая спектральная плотность излучаемой мощности позволяет работать практически на уровне шумов, не мешая другим радиосредствам в широкой полосе частот, что дает вторичное освоение радиочастотного диапазона.

Именно структура ППМ определяет необходимость использования двух антенн, так как у него отдельные вход и выход. Передающая и приемная антенны располагаются в непосредственной близости друг от друга, уровнемер будет использовать импульсное излучение и отраженная волна будет попадать в передающий тракт. Чем больше размер антенны, тем более сильный и узконаправленный сигнал она излучает и, в тоже время, тем лучше прием отраженного сигнала. Такими нужными параметрами обладает рупорная антенна. Она удобна для больших емкостей, позволяет работать с широким спектром сред по диэлектрической проницаемости, применима в сложных условиях и обеспечивает диапазон измерения до 35…40 м.

Для разработанного базового приемо-передающего модуля было написано прикладное программное обеспечение, позволяющее использовать импульсный уровнемер в различных областях и условиях внешней среды.

На генератор СВЧ с ППМ «Пикор-1» поступают импульсный сигнал, который необходимо промодулировать. Для этого используется СВЧ генератор Для того чтобы избежать этого побочного явления, на выходе СВЧ генератора нужно установить невзаимное устройство, например, вентиль (ФПВН-67Б), который обеспечивает беспрепятственное прохождение волны в прямом направлении и почти полное ее отсутствие в обратном, то есть защищает генератор от обратного воздействия, обеспечивая защиту системы от сбоя.

Амплитудный детектор (АД) - это последовательная совокупность выпрямителя и сглаживающего фильтра. Амплитудный детектор преобразует высокочастотный сигнал в видеоимпульсный сигнал.

Для того, чтобы принять информацию от модуля в процессор, то есть обеспечить их синхронизацию, необходимо использование аналого - цифрового преобразователя (АЦП). Это первый блок в части формирования и обработки сигнала. Он отделяет аналоговую часть уровнемера от цифровой.

После того как сигнал дискретизирован, его можно подвергнуть цифровой обработке, для чего необходим цифровой сигнальный микропроцессор (ЦСП). Также он возглавляет процедуры управления АЦП.

В зависимости от типа выбранного микропроцессора, потребуется использовать блок внешней памяти для хранения текста программы (ПЗУ), а также для хранения временных данных (ЭППЗУ), таких как информация о калибровке, форме сосуда и т.д.

Для организации процедуры эффективного обмена данными с ЭВМ, а также для выдачи результатов измерений на индикатор, целесообразно применить в качестве буфера какой-либо микроконтроллер.

Структурная схема импульсного уровнемера на основе стробоскопического метода обработки сигналов приведена на рисунке 4.1.

Рисунок 4.1 - Структурная схема импульсного уровнемера на основе стробоскопического метода обработки сигналов

Требуемая мощность передатчика

Согласно результатам моделирования на ЭВМ ошибка измерения уровня не превышает заданной в ТЗ при отношении сигнал/шум равно 40 дБ. Проведем расчет для данного уровня шума, этот параметр наиболее соответствует реальным условиям.

Рассчитаем чувствительность приемника:

, (4.1)

Где k=1,38* Дж/К - постоянная Больцмана,

=290K - температура,

- коэффициент шума приемника,

- шумовая полоса приемника.

Шумовая полоса приемника связана с полосой пропускания приемника (по уровню -3 дБ) следующим соотношением:

Где - ширина энергетического спектра сигнала,

- запас по полосе, связанный с нестабильностью и неточностью настройки. Величиной можно пренебречь из-за ее малости.

Так как длительность импульса равна 1 нс, получаем, что:

Типовой коэффициент шума приемника равен 5 дБ. Тогда чувствительность приемника:

Так как выходная мощность Пикор - 1 всего 20 мВт, то необходимо определить достаточно ли ее для достижения требуемой ошибки измерения. Для этого нужно найти минимальную мощность на входе СВЧ-приемника.

(4.2)

- коэффициент различимости.

Коэффициент различимости равен отношению сигнал/шум на входе приемника (). Отношение сигнал-шум =40дБ, что по мощности 10000 раз.

Тогда мощность сигнала на входе приемника:

Теперь, зная мощность на входе приемника, можно рассчитать требуемую мощность передатчика:

(4.3)

Где D - коэффициент усиления антенного устройства (,

- коэффициент отражения,

- эффективная отражающая поверхность контролируемого вещества.

Проанализировав эту формулу несложно понять, что мощность на входе приемника при изменении положения от 0,5 до 30 метров будет изменяться пропорционально квадрату расстояния. Эффективная отражающая поверхность .

Отражающей средой является диэлектрик с диэлектрической проницаемостью. Согласно ТЗ диэлектрическая проницаемость е1.5. Тогда коэффициент отражения:

Рассчитаем площадь S с учетом ширины ДН конической рупорной антенны.

КНД апертурных антенн связан с площадью раскрыва S и длиной волны общей формулой:

(4.4)

Где - общий коэффициент использования поверхности, зависящий от вида амплитудно-фазового распределения и от других факторов.

Полагая получим:

Необходимая мощность излучения:

Так как выходная мощность Пикор - 1 составляет 20 мВт, то отраженный сигнал не требует дополнительного усиления.

4.2 Разработка и расчет принципиальной схемы

Разработка микропроцессорной системы (МПС) начинается с выбора микропроцессора (МП). После чего к нему пишется программное обеспечение, попутно конкретизирующее дополнительные аппаратные средства (ПЗУ, ОЗУ, различные контроллеры и вычислители), решающие поставленную задачу. Всё это может закончиться большой МПС, напоминающей персональную ЭВМ. Решение одних и тех же задач, возможно, как аппаратным, так и программными средствами, а также их сочетанием. Нахождение компромисса реализации алгоритма между программными и аппаратными средствами является основной задачей синтеза структуры МПС. Если компромисс не найден следует вновь осуществлять выбор МП.

Для разработки импульсного уровнемера на основе стробоскопической обработки, была выбрана микросхема MAX11166. Она представляет собой 16-разрядный АЦП, который входит в составную часть ППМ «Пикор-1». Этот преобразователь последовательного приближения со скоростью преобразования 500 квыб/сек, имеющие отличные характеристики по постоянному и переменному токам, биполярный вход, компактный размер и внутренний источник опорного напряжения. MAX11166 может измерять входное напряжение ±5 В, (10 Вп-п), работая при этом от однополярного источника питания +5 В. Запатентованная архитектура с умножителем напряжения позволяет измерять напряжения от источников с высоким импедансом. В MAX11166 встроен источник опорного напряжения с внутренним буфером и температурным дрейфом 6 ppm/°C, который позволяет снизить стоимость устройства, а также освобождает от необходимости использования внешнего опорного источника.

Этот АЦП имеет превосходное соотношение сигнал/шум 93 дБ и коэффициент нелинейных искажений в -105 дБ. MAX11166.

Связь и управление MAX11166 осуществляются с помощью последовательного SPI интерфейса с логикой 2,5 В, 3 В, 3,3 В, или 5 В. Последовательный интерфейс может быть использован для параллельного включения нескольких АЦП в многоканальных приложениях. Он имеет специальный индикатор занятости для упрощения синхронизации работы системы и временного разделения ресурсов.

MAX11166 выпускается в 12-контактных TDFN корпусах размером 3?3 мм и предназначены для работы в температурном диапазоне -40…+85°C.

Основные характеристики:

* Разрешение 16 бит без пропуска кодов

* Соотношение сигнал/шум 92,6 дБ

* Коэффициент гармонических искажений -105 дБ на 20 кГц

* Интегральная нелинейность ±0,5 LSB (тип.)

* Дифференциальная нелинейность ±0,2 LSB

(тип.)

* Внутренний ИОН и буфер

* Температурный дрейф ИОН 6 ppm/°C

* Миниатюрный 3х3 мм 12-выводной корпус

TDFN

* Биполярный аналоговый вход ±5В

* Однополярное питание АЦП при малом энер-

гопотреблении

* Аналоговое напряжение питание +5В

* Цифровое напряжение питание 2,3…5 В

* Потребление 19,5 мВт при скорости преобра-

зования 500 квыб/сек

* Потребление 1 мкА в режиме shutdown

* Скорость преобразования 500 квыб/сек

* Отсутствие конвейерной задержки

* SPI/QSPI™/MICROWIRE®/DSP-совместимый интерфейс.

В основу принципиальной схемы также входят три микропроцессора. Одним из которых является цифровой сигнальный процессор (ЦСП), который служит для обработки сигнала. хорошими характеристиками обладает ЦСП из семейства DSP568xx компании Motorola. В нём совмещены особенности цифровых сигнальных процессоров и универсальных микроконтроллеров. Ядро DSP56800 является программируемым 16-разрядным КМОП-процессором, предназначенным для выполнения цифровой обработки сигналов в реальном масштабе времени и решения вычислительных задач, и состоит из четырех функциональных устройств: управления, генерации адресов, АЛУ, обработки сигналов. Для увеличения производительности операции в устройствах выполняются параллельно. Каждое из устройств может функционировать независимо и одновременно с тремя другими, т.к. имеет свой набор регистров и логику управления. Ядро реализует одновременное выполнение нескольких действий: устройство управления выбирает первую команду, устройство генерации адресов формирует их адреса второй команды, а АЛУ выполняет умножение третьей команды. Широко используются совмещенные передачи и выполнение операций.

Встроенная память может содержать (для семейства):

- Флэш-память программ до 60К

- Флэш-память данных до 8К

- ОЗУ-программ до 2К

- ОЗУ-данных до 4К

- Флэш-память программы загрузки 2К

На микрочипах семейства реализовано большое количество периферийных устройств: ШИМ-генераторы, 12-разрядные АЦП с одновременной выборкой, квадратурные декодеры, четырехканальные таймеры, контроллеры CAN-интерфейса, двухпроводные последовательные коммуникационные интерфейсы, последовательные интерфейсы, программируемый генератор с ФАПЧ для формирования тактовой частоты ядра DSP и многое другое.

Общие характеристики:

- производительность 40 MIPS при тактовой частоте 80 МГц и напряжении питания 2.7:3.6 В;

- однотактный параллельный 16х16 умножитель-сумматор;

- два 36-разрядных аккумулятора, включая биты расширения;

- однотактное 16-разрядное устройство циклического сдвига;

- аппаратная реализация команд DO и REP;

- три внутренние 16-разрядные шины данных и три 16-разрядные шины адреса;

- одна 16-разрядная шина внешнего интерфейса;

- стек подпрограмм и прерываний, не имеющий ограничения по глубине.

Второй процессор необходим для отправки результатов на уровни связи. Для этого возьмём процессор российского производства, выпущенный в 2012 году компанией ОАО «Multiclet». MCp0411100101 - универсальный микропроцессор, ориентированный на задачи управления и цифровой обработки сигналов. Поддерживает аппаратные операции с плавающей запятой. Технология изготовления - КМОП 180 нм, частота 100 МГц. Пиковая производительность 2,4 GFLOPs (32 бита). Приёмка - ОТК 1,3 и 5.

Третий процессор необходим для вывода значений на индикатор. Для чего использую интерфейс RS-485. В его стандарте для передачи и приёма данных используется одна витая пара проводов, иногда сопровождаемая экранирующей оплеткой или общим проводом. Передача данных осуществляется с помощью дифференциальных сигналов. Разница напряжений между проводниками одной полярности означает логическую единицу, разница другой полярности - ноль.

1. Стандарт RS-485 оговаривает только электрические и временные характеристики интерфейса.

2. Стандарт RS-485 не оговаривает:

· параметры качества сигнала (допустимый уровень искажений, отражения в длинных линиях),

· типы соединителей и кабелей,

· гальваническую развязку линии связи,

· протокол обмена.

Электрические и временные характеристики интерфейса RS-485

· До 32 приёмопередатчиков в одном сегменте сети.

· Максимальная длина одного сегмента сети: 1200 метров.

· Только один передатчик активный.

· Максимальное количество узлов в сети - 256 с учётом магистральных усилителей.

· Характеристика скорость обмена / длина линии связи:

· 62,5 кбит/с 1200 м (одна витая пара),

· 375 кбит/с 500 м (одна витая пара),

· 500 кбит/с,

· 1000 кбит/с,

· 2400 кбит/с 100 м (две витых пары),

· 10000 кбит/с 10 м.

Примечание: Скорости обмена 62,5 кбит/с, 375 кбит/с, 2400 кбит/с оговорены стандартом RS-485. На скоростях обмена свыше 500 кбит/с рекомендуется использовать экранированные витые пары.

· Тип приёмопередатчиков - дифференциальный, потенциальный. Изменение входных и выходных напряжений на линиях A и B: Ua (Ub) от ?7 В до +12 В (+7 В).

· Требования, предъявляемые к выходному каскаду: - выходной каскад представляет собой источник напряжения с малым выходным сопротивлением, |Uвых|=1,5:5,0 В (не <1,5 В и не >6,0 В);

· состояние логической «1»: Ua больше Ub (гистерезис 200 мВ) - MARK, OFF;

· состояние логического «0»: Ua меньше Ub (гистерезис 200 мВ) - SPACE, ON (производители микросхем - драйверов, часто выбирают намного меньшие значения, гистерезис от 10 мВ);

· выходной каскад должен выдерживать режим короткого замыкания, иметь максимальный выходной ток 250 мА, скорость нарастания выходного сигнала 1,2 В/мкс и схему ограничения выходной мощности.

· Требования, предъявляемые к входному каскаду: - входной каскад представляет собой дифференциальный вход с высоким входным сопротивлением и пороговой характеристикой от ?200 мВ до +200 мВ:

· допустимый диапазон входных напряжений Uag (Ubg) относительно земли (GND) от ?7 В до +12 В;

· входной сигнал представлен дифференциальным напряжением (Ui +0,2 В и более);

· уровни состояния приёмника входного каскада - см. состояния передатчика выходного каскада.

Принципиальная схема модуля цифрового формирования и обработки сигнала показана на рисунке 4.2.



Рисунок 4.2. Принципиальная схема модуля цифрового формирования и обработки сигнала

4.3 Расчет надежности

Разрабатываемый уровнемер является сложной системой, состоящей из множества компонентов, включающих в себя цифровые компоненты, СВЧ модули, модули обработки и передачи информации. Надежность такой системы определяется ее структурой и надежностью составляющих компонентов. Техническая сложность, многообразие факторов, влияющих на надежность данной системы на всех стадиях ее существования, и тесная взаимосвязь этих стадий между собой требуют использования системного подхода к оценке ее надежности.

Технические средства, входящие в состав уровнемера являются восстанавливаемыми элементами, в связи с чем показатели ремонтопригодности, восстанавливаемости и исправности не менее важны, чем показатели безотказности.

Изучение опыта эксплуатации разнообразных электромеханических и электронных устройств показало, что различают три периода работы объектов:

1) Приработка (начальный период), для которого характерно монотонное уменьшение интенсивности отказов;

2) Нормальная эксплуатация (основной период), для которого характерно постоянство интенсивности отказов;

3) Старение или износ, для которого характерно возрастание интенсивности отказов.

Вследствие быстрого развития радиоэлектроники и смежных отраслей за 5-10 лет возникают новые схемотехнические решения, существенно обновляется элементная база, поэтому оборудование обычно заменяется до наступления износа.

Период приработки протекает во время испытания на заводах - изготовителях и во время настройки опытной эксплуатации. Поэтому в практике эксплуатации устройства наблюдается лишь основной период работы изделий.

При расчете показателей надежности следует иметь в виду, что надлежащая постановка профилактического обслуживания, в том числе и систематические контрольные измерения, практически исключают отказы элементов системы сбора информации. Поэтому при разработке методов расчета исходят из возможности возникновения только внезапных отказов. Наиболее распространенной моделью для внезапных отказов и восстановлений служит экспоненциальный закон.

Надежность - это свойство обеспечивать работоспособность устройства с сохранением качественных показателей в заданных пределах в течение необходимого промежутка времени. Наиболее общей характеристикой надежности может служить коэффициент оперативной готовности, который учитывает вероятность возникновения отказа во время работы, так и вероятности того, что отказ может возникнуть к началу момента работы или простой окажется не ликвидированным в течение времени, отведенного на профилактическое обслуживание. Надежность системы обуславливается ее безотказностью и ремонтопригодностью.

Безотказность - это приспособленность системы сбора информации к восстановлению нормальной работы в данных условиях эксплуатации. Ремонтопригодность определяется как числом и техническим совершенством элементов, так и организацией и качеством обслуживания (количеством и дислокацией ремонтных бригад, их технической оснащенностью, квалификацией персонала).

Произведём расчет надежности на ЭВМ, для этого потребуется программа расчета, её можно написать на любом языке программирования, а можно воспользоваться http://skr.radioman.ru.

Вероятность безотказной работы блока до момента времени t определяется по формуле:

(4.5)

Где - средняя интенсивность отказов, t - текущее время.

При обращении к этому сайту на экран будет выведена таблица. Необходимо заполнить эту таблицу, отметив галочками элементы, используемые при расчете, и указав их количество, далее следует запустить программу.

На экране будут выведены данные рис

Средняя наработка до отказа элементов блока составляет

.

Для того чтобы повысить надежность устройства необходимо в производстве соблюдать следующие требования:

1) Обеспечение тщательного выполнения постоянных электрических соединений (монтаж, пайка);

2) Регулярное проведение контроля устройства не только на правильное функционирование, но и на выявление «слабых» элементов и выявления кратковременных внешних воздействий на безотказность;

3) Оперативная доработка всех изделий по изменениям, обусловленным необходимостью повышения надежности.

Для повышения надежности очень большое значение имеет правильная эксплуатация с соблюдением требуемых мер безопасности.

5. Конструкторско-технологическая часть

5.1 Обоснование выбора корпуса устройства

При разработке конструкции устройства необходимо выбрать наружную оболочку изделия для защиты его от внешних воздействий, а персонала от прикосновения к внутренним частям. Такая оболочка называется корпусом устройства. Корпус придает устройству законченную форму. Существует ряд требований, предъявляемых к корпусу изделия:

· Корпус должен обеспечивать нормальный тепловой режим работы устройства;

· Должен обеспечивать защиту расположенных в нем элементов от механических повреждений;

· Должен обеспечивать защиту от пыли и влаги;

· В конструкции корпуса должны быть предусмотрены места для кладки жгутов, соединяющих плату коммутации с внешними разъемами;

· Корпус должен обеспечивать легкий доступ к расположенным в нем элементам для осмотра, ремонта и замены, а также к элементам внешней коммутации;

· Конфигурация корпуса должна предусматривать элементы крепления для фиксации на объекте;

· Необходимо использовать гальванические и лакокрасочные покрытия, имеющие минимальную массу.

Корпус я буду использовать из нержавеющей стали американского производителя фирмы VEGA, которая соответствует всем выше перечисленным требованиям. Эта фирма является ведущим мировым производителем оборудования для измерения и сигнализации уровня и давления. 3d модель корпуса представлена на рисунке 5.1:



Рисунок 5.1-3d модель корпуса импульсного уровнемера.

Корпус уровнемера в чертёжном виде приведён на рисунке 5.2

5.2 Компоновка конструкции устройства

Компоновка - размещение в пространстве или на плоскости различных элементов радиоэлектронной аппаратуры (РЭА) - одна из важных задач при конструировании.

Под компоновкой блока понимают взаимное расположение ячеек или других конструктивных элементов в заданном объеме блока.

Необходимо найти такие компоновочные решения, которые удовлетворяли бы требованиям:

· Между отдельными узлами и блоками должны отсутствовать электрические взаимосвязи, влияющие на технические характеристики изделия;

· Взаимное расположение элементов конструкции должно обеспечить технологичность сборки монтажа с учетом использования автоматов, легкий доступ к деталям для контроля, ремонта и обслуживания;

· Расположение и конструкция органов управления должны обеспечивать максимальные удобства для оператора;

· Изделие должно удовлетворять требованиям технической эстетики;

· Габариты и масса устройства должны быть минимальными.

Удовлетворить одновременно всем перечисленным требованиям в большинстве случаев не удается, поэтому процесс компоновки, как и всякий процесс конструирования, сводится к нахождению оптимальных решений.

Разрабатываемое устройство состоит из трех основных блоков:

· Приемо-передающий модуль;

· Модуль обработки;

· Внешний интерфейс.

Корпус для модуля обработки представляет собой корпус стандартных размеров. На корпусе предусмотрены следующие разъемы:

· Разъем для подключения приемо-передающего модуля;

· Разъем интерфейса RS-485 для связи с ПК;

· Разъем питания.

Внешний интерфейс представлен индикатором, клавиатурой и разъемом для соединения с ПК RS-485 на рисунке 5.3:

Рисунок 5.3-Внешний вид индикатора и клавиатуры управления

1 - индикатор;

2 - клавиатура управления.

5.3 Размещение элементов на печатной плате

Элементы электрической схемы размещаются внутри корпуса прибора на печатной плате. Печатная плата с установленными на ней радиоэлементами является сложной многоэлементной сборочной единицей. Она представляет собой диэлектрическую пластину с нанесёнными на неё токопроводящими контактными площадками. Токопроводящие дорожки, соединяющие контактные площадки и отверстия, предназначены для крепления элементов схемы и самой печатной платы в корпус прибора. В качестве диэлектрической пластины служит фальгилированный стеклотекстолит. Элементы на печатной плате обычно располагают с одной стороны. Контактные площадки элементов соединяют между собой согласно схеме электрической принципиальной токопроводящими проводниками. Токопроводящие проводники обычно располагают либо с одной стороны (где не расположены элементы), либо их делают с обеих сторон. Изготовление печатных проводников предполагается одним из нескольких способов: травление. Металлизация, наклеивание, вырезание. Все из ранее перечисленных способов, кроме наклеивания и металлизации, предполагают, что берётся заготовка печатной платы - диэлектрическая пластина, покрытая медной фольгой.

Компоновка печатной платы происходит следующим образом. Первым этапом монтажа печатной платы является установка элементов схемы на неё, согласно конструкторской документации. Процесс сборки представляет собой установку компонентов со штыревыми выводами в контактные отверстия печатной платы.

При технической реализации процесса сборки различают ручную и механическую сборку. При создании опытного образца наиболее оптимальна ручная сборка.

При ручной сборке осуществляется постоянный контроль за её качеством. Это позволяет с одной стороны, использовать относительно большую область допусков на размеры выводов и монтажных отверстий, с другой стороны, увеличить возможность обнаружения дефектов в процессе сборки.

Перед установкой на печатную плату радиоэлементов гибкие выводы отгибают, то есть формуют с помощью технологической оснастки так, чтобы форма выводов соответствовала способу установки элементов.

Способ установки радиоэлементов на печатную плату определяется различными факторами: плотностью монтажа, материалом корпуса, массой радиоэлемента и количеством его выводов, типом платы и условиями эксплуатации.

Печатная плата после монтажа элементов покрывается защитным слоем изоляционного лака.

Применение печатных плат позволяет обеспечить настройку аппаратуры и исключить возможность ошибки при её монтаже, так как расположение проводников и монтажных отверстий одинаково на всех платах данной схемы. Использование печатных плат позволяет также уменьшить габариты аппаратуры, улучшить условия отвода тепла, снизить металлоёмкость аппаратуры.

К печатным платам предъявляются много требований по точности расположения проводящего рисунка, по величине изоляции диэлектрика, механической прочности.

Одним из основных требований является обеспечение способности к пайке, достигаемое соответствующим выбором гальванического покрытия и технологии металлизации, поэтому в производстве печатных плат особое внимание уделяется химико-гальваническим процессам.

Процесс изготовления печатных плат включает в себя операции, при которых наносится изображение печатного монтажа и получение токопроводящего рисунка. Эти операции можно выполнить следующими основными способами:

– фотографическим;

– сеткографическим;

– офсетным;

– ксерографическим;

– рисованием.

Наибольшее распространение в промышленности при производстве печатных плат нашли фотографический и сеткографический способы получения рисунка.

Существует довольно много методов создания токопроводящих покрытий, однако, при производстве печатных плат в отечественной промышленности наибольшее распространение получили следующие:

– химический - печатные проводники получаются посредством травления медной фольги, приклеенной к изолирующему основанию;

– электролитический - тонкий слой металла, нанесённый химическим осаждением, наращивают в электролитической ванне;

– комбинированный - представляет собой сочетание первых двух методов. Исходным материалом служит фольгилированный диэлектрик, поэтому проводящий рисунок получают вытравливанием меди, металлизацию отверстий осуществляют посредством химического меднения с последующим электрическим наращиванием слоя меди.

Металлизация отверстий при комбинированном способе выполняется на высокопроизводительных аппаратах типа АГ-38. Пайка выводов электрорадиоэлементов производится посредством заполнения припоем контактных отверстий в плате.

Комбинированный метод в настоящее время является основным в производстве печатных плат для аппаратуры широкого применения.

Печатная плата изготавливается комбинированным способом совместно с фотографическим методом нанесения рисунка печатных проводников.

Исходным материалом служит текстолит марки СТЭФ-2-2ЛК

(ТУ АЭУ0037.000), толщина которого 2 мм, листовой материал, изготавливаемый прессованием и бесщёлочной стеклоткани, пропитанной эпоксидно-фенольной смолой, с последующей термообработкой отпрессованных листов.

5.4 Трассировка печатной платы

Критериями оптимальной трассировки являются:

· Суммарная длина всех проводников на плате должна быть минимальной, это обеспечивает большое число вариантов проведения трасс на свободных участках платы;

· Равномерность распределения проводников по проводящим слоям;

· Ортогональное распределение проводников на противоположных сторонах ПП, это позволит значительно уменьшить взаимное влияние проводников;

· Минимальные длины параллельно идущих участков соседних проводников;

· Минимальное количество переходных отверстий между слоями ПП.

При трассировке ПП необходимо стремиться, таким образом расположить трассы, чтобы с одной стороны полученная монтажная схема соответствовала электрической, с другой стороны, были выполнены все нормы на конструирование ПП (ширина проводников, расстояния между проводниками, размеры контактных площадок, расстояние между отверстиями на плате и их диаметр и т.д.).

После завершения трассировки ПП необходимо оценить качество проделанной работы и в случае возможности устранить лишние изгибы проводников, а также многократные переходы печатных проводников с одного слоя на другой.



Рисунок 5.4 - Внешний вид печатной платы

Заключение

Целью данного дипломного проекта является разработка блока импульсного уровнемера методом стробоскопической обработки сигналов.

Данная задача была реализована на языке MATLAB 7.11.0. условия технического задания были полностью выполнены.

Чтобы выявить эффективность и точность стробоскопического метода, на его основе произвели сравнение трёх алгоритмов измерения времени задержки импульсов: метод максимума, весовых коэффициентов и метода параболической аппроксимации. В результате сравнения был выбран третий способ, вследствие своей точности и простоты реализации по сравнению с первым.

Список литературы

1. Бакулев П.А. Радиолокационные системы. Учебник для вузов. Изд. 2 - е. - М.: Радиотехника, 2007. - 376 с.

2. Бакулев П.А, Сосновский Б.А. Радиолокационные и радионавигационные системы: Учебное пособие для вузов. - М.: Радио и связь, 1994. - 327 с.

3. Баскаков С.И. радиотехнические цепи и сигналы: Учебник. - М.: Высшая школа, 1983. - 536 с.

4. Безопасность экологического проекта: Методические указания - Рязань, РГРТУ, 2006

5. Борисов, Ю.П. Математическое моделирование радиосистем: учеб. пособие для вузов. - М.: Сов. радио, 1976. - 296 с

6. Виды уровнемеров. Интернет-сайт: http://yandex.ru/iages/search? text=%

7. Гришин Ю.П., Казаринов Ю.М., Катиков В.М., Мармузов Г.В., Номоконов В.Н., Пухальский Г.И. Проектирование импульсных и цифровых устройств радиотехнических систем: Учебное пособие для радиотехнических вузов. - М.: Высшая школа, 1985. - 319 с.

8. Гришин Ю.П., В.П. Ипатов В.П., Казаринов Ю.М. Радиотехнические системы: Учебник для вузов по спец. «Радиотехника». - М.: Высшая школа, 1990. - 496 с.

9. Зеркаль А.Д. Рациональное построение приемопередающего модуля с импульсным сигналом. - Системы и средства радиосвязи, телевидения и радиовещания, №1,2, 2011 г., с. 137.

10. Кулаков M.В., Технологические измерения и приборы для химических производств, 3 изд., M., 1983; Шкатов E.Ф., Технологические измерения и КИП на предприятиях химической промышленности, M., 1986. - 432 с.

11. Куприянов М.С., Матюшкин Б.Д. Цифровая обработка сигналов: процессоры, алгоритмы, средства проектирования. - С-Пб.: Политехника, 2002. - 592 с.

12. Мисник Е.В., Прудников Ю.Н. Экономические вопросы проектирования: Методические указания по дипломному проектированию. - Рязань, РГРТА, 1994.

13. Обеспечение пожарной безопасности: Методические указания - Рязань, РГРТУ, 2011

14. Общие сведения и виды уровнемеров: интернет-сайт производителя «РФК Корса» http://www.rfcorsa.ru/

15. Преддипломная практика и дипломное проектирование: Методические указания - Рязань, РГРТУ, 2010

16. Радзиевский В.Г., Трифонов П.А. Обработка сверхширокополосных сигналов и помех. - Москва: Радиотехника, 2009 г., с. 7-28.

17. Сазонов Д.М. Устройства СВЧ. - М.: Высшая школа, 1981. - 295 с.

18. Сергиенко А.Б. Цифровая обработка сигналов - Спб.: «Питер», 2005

19. Симаков В.В., Зеркаль А.Д. «Принципы построения приемо-передающего модуля на основе сверхкоротких импульсов с малым энергопотреблением». - Сборник докладов V Всероссийской научно-технической конференция «Радиолокация и радиосвязь», с. 340

20. Сифорова В.И. Радиоприёмные устройства - М.: Сов.радио, 1974. - 560 с.

21. Техническое описание приемо-передающего модуля Пикор-1 // [Электронный ресурс]: интернет-сайт производителя ОАО «КБОР». Режим доступа: http://uwbs.ru/ru/shop? page=shop.product_details&flypage=flypage.tpl&product_id=2&category_id=1

22. Финкельштейн М.И. Основы радиолокации: Учебник для вузов. - М: Радио и связь, 1983.

Приложение

Текст программы:

%function alfa

clc

%clear

%close all

tic % начало измерения времени работы

c=3e8;

Nr=2000;

%N=50;

Nu=10;

Nobr=20;

Rmax=30;

t_z_max=2*Rmax/c;

t_masht=t_z_max/(2000);

%Ss (1:200*Nobr)=0;

%Ss(:)=zeros(4000000);

nq=1;

for q=10:10:40

Rina=27;

dR=0.01;

%Wi (1:2*Nobr+1)=0.0;

for nRi=1:1:100

%for nRi=3:3

Ri=Rina+(nRi-1)*dR

t_zi=2*Ri/c;

N_z_an=(t_zi*(Nr-1))/t_z_max;

Nzi=floor (N_z_an);

k=0;

for ni=Nzi-Nobr: Nzi+Nobr

k=k+1;

if (ni >N_z_an-Nu/2 && ni<N_z_an+Nu/2)

Wi(k)=1-cos (2*pi*(ni-N_z_an+Nu/2)/Nu);

%Wi(k)=1-cos (2*pi*(ni-Nzi)/Nu);

else

Wi(k)=0;

end

end

Wi=awgn (Wi, q, 'measured');

% figure(10)

%%plot (Nzi-50: Nzi+50, Wi)

% stem(Wi)

% grid on

% drawnow

Nz=Nzi-Nobr;

for k=1:2*Nobr

m=0;

for n=(Nzi-Nobr): (Nzi+Nobr)

m=m+1;

if (n >=Nz-Nu/2 && n<=Nz+Nu/2)

W(m)=1-cos (2*pi*(n-Nz+Nu/2)/Nu);

else

W(m)=0;

end

end

S(k)=sum (W.*Wi);

Nz=Nz+1;

for m1=Nzi-Nobr: Nzi+Nobr

if m1==Nz

Ss((k-1)*Nr+m1)=S(k);

else

Ss((k-1)*Nr+m1)=0;

end

end

% figure(20)

%%plot(W)

% stem(W)

% grid on

% drawnow

end

%nm1=length(Ss);

% figure(30)

% stem(S)

% grid on

ki=1;

for nii=Nr*(-Nobr):Nr: Nr*Nobr

kk=nii+Nr*Nobr+1+ki;

ki=ki+1;

if (nii >Nr*(-Nu/1.41)&& nii<Nr*(Nu/1.41))

Ssi1 (kk)=sin (2*pi*(nii*1.41)/(2*Nu*Nr));

else

Ssi1 (kk)=0;

end

end

nm2=length(Ssi1);

% figure(4)

% stem(Ss)

% grid on

% figure(50)

%%plot(Sw)

% stem(Ssi1)

% grid on

% Ss (end-267:end)=[];

% Ss=[zeros (1,267), Ss];

% Ssi1 (end-49:end)=[];

% Ssi1 (1:53)=[];

%Ssi1 (end-5)=[];

%Ssi1=[zeros (1,52), Ssi1];

% figure(41)

% stem(Ss)

% grid on

% figure(51)

%%plot(Sw)

% stem(Ssi1)

% grid on

% Ss=awgn (Ss, q, 'measured');

%Метод максимального отсчета (ММО)

[H, n]=max(Ss);

Nzio1=((n)/2001+Nzi-Nobr);%оценка задержки в отсчетах МПА

%Nzio1=Nzi;

tzio1=Nzio1*t_masht;

Ro1=tzio1*c/2;

del_R1=(Ro1-Ri); %ошибка (метров) по МПА

%Метод параболической аппроксимации (МПА)

n11=n-2001;

n12=n+2001;

A=[(n.^2), n, 1; (n11).^2, n11,1; (n12).^2, n12,1]; %матрица коэф СЛАУ

M=[Ss(n); Ss(n11); Ss(n12)]; %свободные члены

A_obr=A^(-1);

X=A_obr*M; %вектор неизвестных a, b, c

n_p=-X(2)/(2*X(1)); %номер макс отсчета по МПА

tziop=((n_p)/2001+Nzi-Nobr)*t_masht; %оценка задержки в отсчетах МПА

Rop=tziop*c/2;

del_Rp=(Rop-Ri); %ошибка (метров) по МПА

%=========================================================================

%Метод весовых коэфициентов(МВК)

D=xcorr (Ss, Ssi1); %корреляция расширенного строба с опорным сигналом

% figure(6)

% plot(D)

% grid on

[m1, n1]=max(D);

[m2, n2]=min(D);

for j1=n1+2001:2001:n2

if (D (j1-2001)*D(j1)<=0)

n_v1=j1-2001;

d1=D (j1-2001);

d2=D(j1);

continue

end

end

n_v=n_v1-d1*2001/(d2-d1);

tziov=((n_v)/4002+Nzi-Nobr)*t_masht; %оценка задержки в отсчетах МВК

Rov=tziov*c/2;

del_Rv=(Rov-Ri); %ошибка (метров) по МВК

DM(nRi)=del_R1;

DP(nRi)=del_Rp;

DV(nRi)=del_Rv;

RI(nRi)=Ri;

NN(nRi)=n;

%NN(nRi)=n;

Ss=[];

Ssi1=[];

end

SDm(nq)=(var(DM)).^0.5;

SDp(nq)=(var(DP)).^0.5;

SDv(nq)=(var(DV)).^0.5;

Q(nq)=q;

% figure(nq)

%

% subplot (3,1,1)

% plot (RI, [DM])

% grid on

%

% subplot (3,1,2)

% plot (RI, [DP])

% grid on

%

% subplot (3,1,3)

% plot (RI, [DV])

% grid on

nq=nq+1;

end

figure(44)

%plot (Q, [SDm; SDp; SDv]')

subplot (3,1,1)

plot (Q, [SDm])

grid on

subplot (3,1,2)

plot (Q, [SDp])

grid on

subplot (3,1,3)

plot (Q, [SDv])

grid on

toc% завершение измерения времени работы

Размещено на Allbest.ru