Генерация, оцифровка и управление цифровыми сигналами на диагностическом комплексе «МТУ-17»
|
Введение
Глава 1. Задачи диагностического комплекса МТУ-17
1.1. Тестирование и верификация аналого-цифровых модулей......... 7
1.2. Диагностика положения шнура плазмы в токамаке
1.3. Система стабилизации квадрокоптера.
1.4. Управление сервоприводом.
1.5. Демонстрационные эксперименты.
Глава 2. Управление цифровыми сигналами
2.1. Управление источником питания.
2.2. Генерация аналоговых сигналов определенной формы ............ 20
2.3. Работа с цифровым мультиметром
2.4. Оцифровка аналоговых сигналов
2.5. Ввод-вывод цифровых сигналов
Глава 3. Практические демонстрационные примеры на
диагностическом комплексе МТУ-17
3.1. Отображение двоичных сигналов на реальных светодиодах.... 26
3.2. Широтно-импульсная модуляция
3.3. Управление углом поворота сервопривода
3.4. Считывание внешней тактовой кнопки.
3.5. Считывание напряжения в цепи с потенциометром
3.6. Генерация и считывание аналогового сигнала
Заключение
Список литературы
Глава 1. Задачи диагностического комплекса МТУ-17
1.1. Тестирование и верификация аналого-цифровых модулей......... 7
1.2. Диагностика положения шнура плазмы в токамаке
1.3. Система стабилизации квадрокоптера.
1.4. Управление сервоприводом.
1.5. Демонстрационные эксперименты.
Глава 2. Управление цифровыми сигналами
2.1. Управление источником питания.
2.2. Генерация аналоговых сигналов определенной формы ............ 20
2.3. Работа с цифровым мультиметром
2.4. Оцифровка аналоговых сигналов
2.5. Ввод-вывод цифровых сигналов
Глава 3. Практические демонстрационные примеры на
диагностическом комплексе МТУ-17
3.1. Отображение двоичных сигналов на реальных светодиодах.... 26
3.2. Широтно-импульсная модуляция
3.3. Управление углом поворота сервопривода
3.4. Считывание внешней тактовой кнопки.
3.5. Считывание напряжения в цепи с потенциометром
3.6. Генерация и считывание аналогового сигнала
Заключение
Список литературы
Современные технологии совершенствуются фантастически быстро.
Промышленность, физические исследования и эксперименты предъявляют все больше требований к средствам тестирования аналоговых и цифровых модулей и к возможностям управления объектами робототехники. Скорость, точность и гибкость автоматизированных процессов должны увеличиваться
при уменьшении времени разработки.
Диагностический комплекс МТУ-17 (модульная тестовая установка) включает в себя модульные приборы открытого промышленного стандарта PXI, предложенного в 1997 году. Сегодня PXI является одним из широко
используемых стандартов для модульных приборов. Различные устройства легко устанавливаются, заменяются и используются в едином синхронном исполнении. Функцию обработки данных и управления берет на себя
компьютер, обеспечивая гибкость и удобство в решении любых задач. Таким образом, используемая модульная программно управляемая архитектура позволяет непрерывно увеличивать производительность.
Основные компоненты системы:
1. Шасси со встроенной шиной для передачи данных и управляющих импульсов и источником питания.
2. Модульные приборы, которые вставляются в шасси.
3. Внешний компьютер, управляющий всей системой, или системный контроллер со встроенным процессором и памятью, также располагающийся в шасси.
В качестве программного обеспечения применяется графическая среда разработки LabVIEW. Внешний вид интерфейса повторяет традиционный физический прибор, а написание программ на LabVIEW напоминает сбор электрической схемы, что за короткий промежуток времени делает его интуитивно понятным для ученых и инженеров. Программный пакет позволяет проводить измерения, собирать, анализировать и выводить данные в виде графиков и отчетов, осуществлять управление и мониторинг различных процессов в реальном времени. Кроме того, эта среда разработки, так же, как и PXI-шасси с модульными приборами, является основным продуктом компании National Instruments. Специальные библиотеки значительно упрощают разработку программ.
Взаимодействие МТУ-17 и LabVIEW применяется для проведения исследований и решения различных задач управления, тестирования и диагностики. Поставляемые стандартные блоки LabVIEW или виртуальные приборы (ВП) обладают большой гибкостью. Исследователю предстоит разобраться с множеством вариантов решений и наборов ВП, правильно соединить и настроить ВП, рассмотреть каждый модульный прибор, обеспечить их совместную работу и самостоятельно расширить программные возможности системы. Отсюда возникает необходимость в программно-аппаратном решении, построенном на конкретных примерах управления, наблюдения и тестирования.
Целью данной научно-исследовательской работы является разработка программного комплекса в среде программирования LabVIEW для настройки и выполнения задач диагностики, измерения и управления на высокотехнологическом измерительном комплексе МТУ-17. Программный комплекс должен быть оснащен удобным графическим интерфейсом пользователя. Следующие задачи могут быть решены с применением разрабатываемого программного комплекса:
1. Тестирование и верификация аналого-цифровых модулей.
2. Диагностика положения шнура плазмы в токамаке.
3. Стабилизация объектов управления, например, система стабилизации квадрокоптера.
4. Управление объектами робототехники и промышленности, в частности, сервоприводом.
5. Проведение демонстрационных экспериментов.~5~
Работа состоит из трех глав. Глава 1 содержит физические и математические постановки задач и включает методики их решения на МТУ-17. В параграфе 1.1 рассматривается тестирование и верификация
аналого-цифровых модулей. Параграф 1.2 посвящен диагностике положения шнура плазмы в токамаке. В параграф 1.3 включен принцип действия квадрокоптера и постановка задачи его стабилизации. Аналогично, в
параграфе 1.4 описано устройство сервопривода и поставлена задача управления его углом поворота.
В главе 2 рассмотрены шесть модульных приборов, их возможности, функции и используемые программные компоненты. Параграф 2.1 описывает источник питания NI PXI-4130, 2.2 – генераторы сигналов стандартной
(NI PXI-5421) и произвольной (NI PXI-5406) формы, 2.3 посвящен цифровому мультиметру NI PXI-4071, 2.4 – осциллографу NI PXI-5114, 2.5 – устройству цифрового ввода-вывода NI PXIe-6535.
Глава 3 содержит практическую часть работы, включая эксперименты с демонстрацией программного кода и его описанием.
К каждому прибору, входящему в модульную тестовую установку, поставляется соответствующая спецификация [1-6]. В ней описываются характеристики прибора: диапазоны измерений, выходные диапазоны генерируемых сигналов, частоты дискретизации, программные возможности и особенности подключения.
Работы [7-10] посвящены программированию на LabVIEW и управлению модульными приборами. Основные сведения о среде разработки приводятся в [7], [8,9] включают решения практических задач автоматизации, измерения и обработки сигналов, [10] рассматривает модульные приборы платформы PXI, инструменты их программирования и код программ. Однако некоторые программные возможности не поддерживаются используемыми устройствами, и многие сложности, не описанные в работах, выявляются в процессе разработки программ.
Постановки задач тестирования, управления и стабилизации приводятся в работах [11-25]. Промышленное тестирование и диагностика включены в [11-13]. В [11] представлены конкурентные преимущества модульной тестовой установки для автоматизации и контроля аналогоцифровых модулей и узлов. Математическая модель токамака и задача стабилизации тока и формы плазмы рассматриваются в [14-19]. Для контроля над положением шнура плазмы используется управляющий сигнал, сформированный при помощи широтно-импульсной модуляции, аналогичная форма управляющего сигнала используется и в других исследованиях, например, в задаче оптимизации положения квадрокоптера [20-24] и в задаче управления углом поворота сервопривода [25].
Промышленность, физические исследования и эксперименты предъявляют все больше требований к средствам тестирования аналоговых и цифровых модулей и к возможностям управления объектами робототехники. Скорость, точность и гибкость автоматизированных процессов должны увеличиваться
при уменьшении времени разработки.
Диагностический комплекс МТУ-17 (модульная тестовая установка) включает в себя модульные приборы открытого промышленного стандарта PXI, предложенного в 1997 году. Сегодня PXI является одним из широко
используемых стандартов для модульных приборов. Различные устройства легко устанавливаются, заменяются и используются в едином синхронном исполнении. Функцию обработки данных и управления берет на себя
компьютер, обеспечивая гибкость и удобство в решении любых задач. Таким образом, используемая модульная программно управляемая архитектура позволяет непрерывно увеличивать производительность.
Основные компоненты системы:
1. Шасси со встроенной шиной для передачи данных и управляющих импульсов и источником питания.
2. Модульные приборы, которые вставляются в шасси.
3. Внешний компьютер, управляющий всей системой, или системный контроллер со встроенным процессором и памятью, также располагающийся в шасси.
В качестве программного обеспечения применяется графическая среда разработки LabVIEW. Внешний вид интерфейса повторяет традиционный физический прибор, а написание программ на LabVIEW напоминает сбор электрической схемы, что за короткий промежуток времени делает его интуитивно понятным для ученых и инженеров. Программный пакет позволяет проводить измерения, собирать, анализировать и выводить данные в виде графиков и отчетов, осуществлять управление и мониторинг различных процессов в реальном времени. Кроме того, эта среда разработки, так же, как и PXI-шасси с модульными приборами, является основным продуктом компании National Instruments. Специальные библиотеки значительно упрощают разработку программ.
Взаимодействие МТУ-17 и LabVIEW применяется для проведения исследований и решения различных задач управления, тестирования и диагностики. Поставляемые стандартные блоки LabVIEW или виртуальные приборы (ВП) обладают большой гибкостью. Исследователю предстоит разобраться с множеством вариантов решений и наборов ВП, правильно соединить и настроить ВП, рассмотреть каждый модульный прибор, обеспечить их совместную работу и самостоятельно расширить программные возможности системы. Отсюда возникает необходимость в программно-аппаратном решении, построенном на конкретных примерах управления, наблюдения и тестирования.
Целью данной научно-исследовательской работы является разработка программного комплекса в среде программирования LabVIEW для настройки и выполнения задач диагностики, измерения и управления на высокотехнологическом измерительном комплексе МТУ-17. Программный комплекс должен быть оснащен удобным графическим интерфейсом пользователя. Следующие задачи могут быть решены с применением разрабатываемого программного комплекса:
1. Тестирование и верификация аналого-цифровых модулей.
2. Диагностика положения шнура плазмы в токамаке.
3. Стабилизация объектов управления, например, система стабилизации квадрокоптера.
4. Управление объектами робототехники и промышленности, в частности, сервоприводом.
5. Проведение демонстрационных экспериментов.~5~
Работа состоит из трех глав. Глава 1 содержит физические и математические постановки задач и включает методики их решения на МТУ-17. В параграфе 1.1 рассматривается тестирование и верификация
аналого-цифровых модулей. Параграф 1.2 посвящен диагностике положения шнура плазмы в токамаке. В параграф 1.3 включен принцип действия квадрокоптера и постановка задачи его стабилизации. Аналогично, в
параграфе 1.4 описано устройство сервопривода и поставлена задача управления его углом поворота.
В главе 2 рассмотрены шесть модульных приборов, их возможности, функции и используемые программные компоненты. Параграф 2.1 описывает источник питания NI PXI-4130, 2.2 – генераторы сигналов стандартной
(NI PXI-5421) и произвольной (NI PXI-5406) формы, 2.3 посвящен цифровому мультиметру NI PXI-4071, 2.4 – осциллографу NI PXI-5114, 2.5 – устройству цифрового ввода-вывода NI PXIe-6535.
Глава 3 содержит практическую часть работы, включая эксперименты с демонстрацией программного кода и его описанием.
К каждому прибору, входящему в модульную тестовую установку, поставляется соответствующая спецификация [1-6]. В ней описываются характеристики прибора: диапазоны измерений, выходные диапазоны генерируемых сигналов, частоты дискретизации, программные возможности и особенности подключения.
Работы [7-10] посвящены программированию на LabVIEW и управлению модульными приборами. Основные сведения о среде разработки приводятся в [7], [8,9] включают решения практических задач автоматизации, измерения и обработки сигналов, [10] рассматривает модульные приборы платформы PXI, инструменты их программирования и код программ. Однако некоторые программные возможности не поддерживаются используемыми устройствами, и многие сложности, не описанные в работах, выявляются в процессе разработки программ.
Постановки задач тестирования, управления и стабилизации приводятся в работах [11-25]. Промышленное тестирование и диагностика включены в [11-13]. В [11] представлены конкурентные преимущества модульной тестовой установки для автоматизации и контроля аналогоцифровых модулей и узлов. Математическая модель токамака и задача стабилизации тока и формы плазмы рассматриваются в [14-19]. Для контроля над положением шнура плазмы используется управляющий сигнал, сформированный при помощи широтно-импульсной модуляции, аналогичная форма управляющего сигнала используется и в других исследованиях, например, в задаче оптимизации положения квадрокоптера [20-24] и в задаче управления углом поворота сервопривода [25].
В работе были рассмотрены задачи тестирования аналого-цифровых модулей, стабилизации плазмы в токамаке, оптимизации положения квадрокоптера и управления сервоприводом.
Приведенные в работе программы и их описание позволяют управлять шестью модульными приборами: источником питания, двумя генераторами аналоговых сигналов, устройством цифрового ввода-вывода, цифровым осциллографом и мультиметром.
В ходе работы получены следующие результаты:
1. Разработан программный комплекс, который позволяет: оцифровывать, генерировать, считывать и управлять цифровыми и аналоговыми сигналами.
2. Представлены математические и физические постановки задач, решаемых на МТУ-17. Составлены методики решения поставленных задач с применением разработанного программного комплекса.
3. Созданы методические указания к решению практических демонстрационных примеров на модульной установке.
Таким образом, решены все поставленные задачи, и цель работы достигнута
Приведенные в работе программы и их описание позволяют управлять шестью модульными приборами: источником питания, двумя генераторами аналоговых сигналов, устройством цифрового ввода-вывода, цифровым осциллографом и мультиметром.
В ходе работы получены следующие результаты:
1. Разработан программный комплекс, который позволяет: оцифровывать, генерировать, считывать и управлять цифровыми и аналоговыми сигналами.
2. Представлены математические и физические постановки задач, решаемых на МТУ-17. Составлены методики решения поставленных задач с применением разработанного программного комплекса.
3. Созданы методические указания к решению практических демонстрационных примеров на модульной установке.
Таким образом, решены все поставленные задачи, и цель работы достигнута