Введение 4
Научные положения, выносимые на защиту 6
1. Прототип сканера 7
2. Недостатки прототипа, требующие исправления 12
2.1 Оценка прототипа 12
2.2 Сложность системы управления 14
2.3 Рассинхронизация 16
2.4 Неоднородность характеристик каналов обработки 17
3. Исправление недостатков прототипа 20
3.1 Анализ причин и выбор решения 20
3.2 Особенности ПЛИС 22
3.3 Программа для ПЛИС 24
3.4 Аналого-цифровое преобразование 27
3.5 Умножение сигнала 29
3.6 Фильтрация сигнала 30
3.7 Прореживание 32
4. Проверка доработанного прототипа 33
4.1 Новый блок управления и обработки 33
4.2 Сравнение версий 35
Заключение 39
Список использованной литературы 40
ПРИЛОЖЕНИЕ А Патент на полезную модель 42
ПРИЛОЖЕНИЕ Б Свидетельство о регистрации программы ЭВМ 47
ПРИЛОЖЕНИЕ В Отчет о патентных исследованиях 48
Контроль состояния дорожного покрытия является задачей, актуальность которой не просто не уменьшается с течением времени, но лишь возрастает по мере развития перемещающегося по дорогам транспорта.
Состояние дорожного покрытия является фактором, имеющим критическое значение в вопросах безопасного движения автотранспорта. Кроме того, значительную роль оно играет в логистике, которая, в свою очередь, имеет решающее значение во всех отраслях промышленности.
Своевременное получение информации о состоянии дорожного покрытия позволит дорожным службам оптимизировать процесс текущего ремонта, и вести работы на тех участках, где это наиболее необходимо.
На современном этапе развития информационных технологий закономерным шагом является автоматизация всех производственных процессов. Одним из приоритетных направлений восстановление рельефа протяженных объектов. К настоящему моменту имеется ряд перспективных разработок, направленных на решение данной задачи.
В ходе научно-исследовательской работы «Разработка действующего прототипа устройства для определения высотного профиля дорожного покрытия», выполненной в рамках программы повышения конкурентоспособности ТГУ был разработан прототип сканирующего устройства для восстановления профиля дорожного полотна. Разработанный прототип использует ультразвук для сканирования поверхности. Использование ультразвука позволило использовать низкочастотную электронику для обработки сигнала, при этом достигнутое качество восстановленного изображения дорожного полотна было достаточным для признания результата НИР удовлетворительным.
Вместе с тем, в процессе тестирования и отладки прототипа были выявлены недостатки, вносящие сбои в работу устройства:
- общая сложность системы: блок управления включает в себя три микроконтроллерных модуля, что усложняет процессы тестирования и отладки;
- необходимость синхронизации модулей управления, как между собой, так и с модулем обработки сигналов, сбой синхронизации означает сбой в системе в целом и потерю результатов цикла сканирования;
- сигнал каждого датчика решетки обрабатывается в отдельном канале, выполненном на дискретных элементах, из-за ненулевых допусков радиодеталей характеристики каналов обработки не являются идентичными, что вносит дополнительные искажения в общий результат обработки.
Устранение выявленных недостатков является целью настоящей работы.
Научные положения, выносимые на защиту
1. Средствами единственного модуля ПЛИС Spartan6, работающего на тактовой частоте 50 МГц, возможно произвести обработку сигналов диапазона 38-44 кГц, включающую операции:
- Оцифровка до 64 каналов с частотой не более 200 кГц, разрешающей способностью 8 бит, с шумом квантования не более 15 мВ;
- Программное умножение оцифрованных сигналов с формируемым средствами ПЛИС сигналом гетеродина;
- НЧ фильтрация результатов гетеродинирования;
- Прореживание результатов фильтрации.
2. Реализация обработки сигналов цифровым способом средствами ПЛИС позволяет восстановить изображение точечного источника с качеством, большим, чем при реализации обработки сигналов аналоговым способом на дискретных радиоэлементах.
Внесены изменения в конструкцию прототипа сканера дорожного покрытия.
Изменена структура блока управления: вместо трех микроконтроллерных модулей теперь используется один микроконтроллерный модуль и один модуль ПЛИС. При этом, микроконтроллерный модуль реализует функцию обмена данными к ПК, непосредственное управление работой антенной решеткой осуществляет модуль ПЛИС. Это позволило устранить необходимость синхронизации между блоками управления и исключить возможность возникновения сбоев, связанных с ошибками синхронизации.
Внесены изменения в процесс обработки данных, полученных от антенной решетки. Функции оцифровки сигнала, умножения сигнала на сигнал гетеродина, фильтрации результата оцифровки, прореживания результата фильтрации теперь осуществляются полностью средствами модуля ПЛИС. Это позволило исключить проблему, вызванную не идеальностью радиодеталей, осуществлявших обработку сигналов ранее: собранные из дискретных компонентов каналы обработки данных имели неодинаковые параметры, что вносило искажения в волновую картину.
Уменьшение количества элементов системы, как в блоке управления, так и в блоке обработки данных, помимо улучшения массогабаритных характеристик, понизило общую сложность системы. Это упростило процессы сборки, монтажа, тестирования и отладки.
Установлено, что внесенные в прототип изменения способствовали повышению качества восстанавливаемого изображение. Продемонстрировано, что использование ПЛИС является перспективным для решения задач радиовидения.
