Измерительная система на основе DSP микроконтроллера

TMS320F2812

Работу выполнил: Петруненко С.Н.

Научный руководитель: д.т.н., проф. Лысенко А.Н.

Актуальность темы • Автоколлимационный контроль – один из распространенных методов

дистанционного контроля параметров объектов. Благодаря своей универсальности и высокой точности измерений этот метод является незаменимым, а в большинстве случаев и единственно возможным при выполнении различного рода сборочных, юстировочных и поверочных работ в машиностроении, приборостроении, оптико-механической промышленности, экспериментальной физике, а также при осуществлении связи и управлении подвижными объектами.

• Самое широкое распространение получили цифровые автоколлиматоры на ПЗС-фотоприемниках с преобразованием измеряемого угла в интервал времени. Достоинством этих приборов является высокое быстродействие и простота реализации. Наряду с достоинством они имеют следующие недостатки: - наличие темнового тока в ФПЗС приводит к увеличению погрешности измерения; - высокая чувствительность ФПЗС к внешним воздействиям (температура, радиационное излучение и т.д.); - дополнительная погрешность измерения за счет квантования времени; - введение в схему аналоговых корректирующих звеньев приводит с снижению надежности прибора.

Целью работы является исследование методов и средств повышения точности измерения углоизмерительной системы автоколлимационного типа с ЧИП на основе ЦСП

Задачи, направленные для достижения цели: 1. Проведение сравнительного анализа методов и структур

построения цифровых автоколлиматоров на ПЗС-фотопреобразователях

2. Синтез структуры углоизмерительной системы автоколлимационного типа с преобразованием угла в напряжение с ЧИП на основе ЦСП

3. Проведение сравнительного анализа эффективности методов числовой коррекции инструментальной погрешности ПЗС в углоизмерительной системе с преобразованием угла в напряжение

4. Разработка алгоритма работы углоизмерительной системы при различных методах ЧКИП и проведение эксперимента на базе TMS320F2812

• Объектом исследования является процесс числовых измерительных преобразований видеосигнала.

• Предметом исследования является углоизмерительная система автоколлимационного типа на основе цифрового сигнального процессора.

• Методы исследования – интерполяции, медианной фильтрации, скользящего усреднения, математического моделирования, экспериментальных исследований.

Методология проводимых в работе исследований

Автоколлимационный метод

измерения

a

x

F0'

F0gg

f0

1

2

3

45

1 - источник излучения2 - диафрагма3 - светоделительная

поверхность4 - объектив5 - плоское зеркало

02 f

x

a

Формула автоколлиматора

где х – линейное перемещение

светового штриха в

фокальной плоскости;

f0 – фокусное расстояние

объектива автоколлиматора;

ρ = 206266 – число угловых

секунд в радиане.

Структура построения цифрового автоколлиматора α→Tx и временная диаграмма работы АИП3

АИП1 ЧИПИзмерениеАИП3АИП2α x U Tx NTx αN

U пор

Т1

Т2

Тх

ТИ

t

tt1

0

U(t)

Uпор.

Uви

0

U(t)

t2 t3

21И

X

TTT

Структура построения цифрового автоколлиматора α→U

Уравнение ЧКИП по методу поэлементного вычитания

АИП1 ЧКИПИзмере

ниеАИП2

α x αNUда1

k

nkNK

ЧИП1 ЧИП21.

k

nkN корk

Nц

111

k

nkN

k

nkN

k

nkN kфkcкофk

Синтез структуры углоизмерительной системы автоколлимационного типа α→U

с ЧИП на основе ЦСП

Портыввода-вывода

Процессорное ядро

ОЗУ

Событийное устройсво

АЦП

БВСД

ФВИ

Синхро-генератор

ПЗ

С-

фот

опре

обра

зова

тел

ь

ЧИП

α

ИзмерениеАИП 2АИП 1

Светоделительный кубик

Светодиод

ОбъективКЭ

Диафрагма

α

Ф1

Ф2

Ф3

ПЗУ

2

1

1

1

11

m

kk

m

kk

kЧИПц

N

Nk

k

nkNFN

где Nk – числовое значение k-го отсчета;

k – числовое значение координаты k-го отсчета,

m – число элементов на обрабатываемом участке.

Формула определения координаты центра видеосигнала

w

ywY

w

wii

j

2/

2/)(

где Yj – значение j-го элемента

результирующего массива;

yi – значение i-го элемента

фильтруемого массива;

w – апертура скольжения.

Формула фильтра скользящего среднего

yk = med(xk-n, xk-n+1,…, xk-1, xk, xk+1 ,…, xk+n-1, xk+n),

где med(x1, …, xm, …, x2n+1) = xn+1,

xm – элементы вариационного ряда, т.е.

ранжированные в порядке возрастания

значений xm:

x1 = min(x1, x2,…, x2n+1) ≤ x(2) ≤ x(3) ≤

≤ x2n+1 = max(x1, x2,…, x2n+1).

Формула медианного фильтра

n

kистNkn 1

2.1

1 aaa

Формула вычисления СКО

где

NЦист. – числовое значение координаты

центра тяжести полезного сигнала

при отсутствии шумов;

NЦк – текущее числовое значение координаты

центра тяжести, вычисляемое с помощью

операции ЧИП1.

хЦкN aaNk

хИст aa Цист.. N

Модель композитного видеосигнала и результаты моделирования

0

0,1

0,2

0,3

0,4

0,5

0,6

0,7

85 90 95 100 105 110 115

UП, В

Полезный сигнал

2

20

20

k

NN

П eUU

U0 = 0.7 В N0 = 100,5 к = 4/3

0

0,1

0,2

0,3

0,4

0,5

0,6

0,7

85 90 95 100 105 110 115

UС, В

Полезный сигнал с флюктуационным шумом

UC max = 0.7 В, СКОШ = 6 мВ

0

100

200

300

400

500

600

700

800

900

85 90 95 100 105 110 115

UN , dec

m = 3

m = 7

Результат цифровой фильтрации методом

скользящего среднего с апертурой скольжения m

-0,02

-0,015

-0,01

-0,005

0

0,005

0,01

0,015

0,02

0 50 100 150 200 250

UШ, В

Флюктуационный шум Норм. закон распределения

СКОШ = 6 мВ

Модель композитного видеосигнала и результаты моделирования

0

100

200

300

400

500

600

700

800

900

85 90 95 100 105 110 115

UN , dec

m = 3

m = 7

Результат цифровой медианной фильтрации с апертурой скольжения m

0

100

200

300

400

500

600

700

800

900

85 90 95 100 105 110 115

UN, dec

m=3

m=7

Результат цифровой фильтрации методом

скользящего среднего с апертурой скольжения m

0

100

200

300

400

500

600

700

800

900

85 90 95 100 105 110 115

UN, dec

m=3

m=7

Результат цифровой медианной фильтрации с апертурой скольжения m

0

0,1

0,2

0,3

0,4

0,5

0,6

0,7

85 90 95 100 105 110 115

UC, В

Полезный сигнал с флюктуационным

шумом и двумя структурными

помехами NИ1 = 93, NИ2 = 103

UИ = 0,7 В UC max = 0.7 В СКОШ = 6 В

Сравнительный анализ эффективности методов ЧКИП инструментальной погрешности ПЗС (статический режим)

0

2

4

6

8

10

12

14

16

0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7

СКО, угл.с

Статический режим

Число наблюдений n=70 СКОш = 6 мв

MF3 – медианная фильтрация с

апертурой m=3 MAF3 – фильтр скользящего

среднего с апертурой m=3 WF – без фильтрации

0

0,2

0,4

0,6

0,8

1

1,2

1,4

1,6

1,8

2

2,2

2,4

0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7

СКО, угл.с

Статический режим

Число наблюдений n=70 СКОш = 6 мв

MF3 – медианная фильтрация с

апертурой m=3 MAF3 – фильтр скользящего

среднего с апертурой m=3 WF – без фильтрации

Сравнительный анализ эффективности методов ЧКИП инструментальной погрешности ПЗС (динамический режим)

0

2

4

6

8

10

12

14

16

18

20

22

24

26

0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7

СКО, угл.с

Динамический режим

Число наблюдений n=70 начало: 100 эл-т конец: 121 эл-т шаг: 0,3 эл-та

СКОш = 6 мв

MF3 – медианная фильтрация с

апертурой m=3 MAF3 – фильтр скользящего

среднего с апертурой m=3 WF – без фильтрации

0

0,5

1

1,5

2

2,5

3

3,5

4

4,5

0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7

СКО, угл.с

Динамический режим

Число наблюдений n=70 начало: 100 эл-т конец: 121 эл-т шаг: 0,3 эл-та

СКОш = 6 мв

MF3 – медианная фильтрация с

апертурой m=3 MAF3 – фильтр скользящего

среднего с апертурой m=3 WF – без фильтрации

Сравнительный анализ эффективности методов ЧКИП инструментальной погрешности ПЗС

(динамический режим при наличии структурных помех)

0

20

40

60

80

100

120

140

160

180

200

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

CКО, угл. с

Динамический режим

Число наблюдений n=70 начало: 100 эл-т конец: 121 эл-т шаг: 0,3 эл-та

Две структурные помехи

NС1 = 110, NC2 = 115 UC = 0,7 В

UC max = 0.3 В СКОШ = 6 В

MF – медианная фильтрация MAF – фильтр скользящего

среднего

0

5

10

15

20

25

30

35

40

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

CКО, угл. с

MF

MAF

Динамический режим

Число наблюдений n=70 начало: 100 эл-т конец: 121 эл-т шаг: 0,3 эл-та

Две структурные помехи

NС1 = 110, NC2 = 115 UC = 0,7 В

UC max = 0.7 В СКОШ = 6 В

MF – медианная фильтрация MAF – фильтр скользящего

среднего

Укрупненный алгоритм работы углоизмерительной системы

AKDS

1

Определение начальных значений

5Фильтрация разностного

массива

2

Запись фонового массива

8

Вычисление α N

4Вычисление разностного

массива

7

Управление τ cd

3

Запись текущего массива

6

Нахождение максимальной интегральной площади β(к1)

2 с прошло?

9

да нет

Научная новизна полученных результатов состоит в следующем:1. Вывод о целесообразности использования малосигнального

(0.27...0.3 В) режима работы электронного тракта углоизмерительной системы, который обеспечивает приемлемую точность измерения угла, запас по световому потоку и уменьшение динамической погрешности измерений.

2. Выработанные рекомендации по выбору параметров ЧКИП по критерию точности в зависимости от условий эксплуатации.

Практическая ценность результатов работы состоит в: 1. Синтезированном алгоритме работы углоизмерительной системы при

различных методах ЧКИП.2. Созданном программном обеспечении для ЦСП TMS320F2812

которые могут быть использованы при разработке прецизионного углоизмерительного прибора.

Основные результаты работы прошли апробацию в виде докладов конференций: “Взгляд на электронику молодых исследователей”, г. Киев, НТУУ “КПИ”, 2007 год., и “Электроника-2009”, г. Киев, НТУУ “КПИ”, 2009 год.

СПАСИБО ЗА ВНИМАНИЕ