ИЗМЕРИТЕЛЬНО-УПРАВЛЯЮЩИЙ ВЫЧИСЛИТЕЛЬНЫЙ КОМПЛЕКС АЭРОДИНАМИЧЕСКОЙ ТРУБЫ

Полезная модель относится к устройствам, связанным с аэродинамическими трубами, а конкретно к измерительным приспособлениям, предназначенным для аэродинамических испытаний.
Наиболее близким аналогом предлагаемой полезной модели, принятым за прототип, является тензометрический измерительно-вычислительный комплекс ИВК М2, предназначенный для автоматизации экспериментальных исследований в авиационно-космической и других отраслях промышленности (Блокин-Мечталин Ю.К., Петроневич В.В., Чумаченко Е.К., научно-технический производственный журнал «Датчики и системы» №3, редакция ОАО "СенСиДат", 2004, стр.14-17). Данный комплекс содержит аэродинамическую трубу, объект испытаний, размещенный в ней на тензометрических весах, закрепленных на программно-управляемой исполнительными механизмами державке, аналоговые датчики давления и температуры, аналоговые датчики перемещения, расположенные на осях приводов исполнительных механизмов, цифровые датчики давления и оборудование в стандарте VME, включающее тензометрический модуль, модуль аналого-цифрового ввода-вывода, модуль измерения частоты, модуль дискретного вывода, процессорный модуль; при этом тензометрические весы соединены аналоговыми линиями связи с тензометрическим модулем, приводы исполнительных механизмов соединены цифровыми линиями связи с модулем дискретного вывода, аналоговые датчики перемещения, давления и температуры соединены аналоговыми линиями связи с модулем аналого-цифрового ввода-вывода, цифровые датчики давления соединены цифровыми линиями связи с модулем измерения частоты; при том все оборудование в стандарте VME объединено в едином крейте.
Стандарт VME устанавливает требования к конструкции, электрической схеме и аппаратному интерфейсу системы, используемой для взаимного соединения модулей и обеспечивающего их работу оборудования в единый аппаратный комплекс. Данный стандарт описан в «ГОСТ Р МЭК 821-2000» («Магистраль микропроцессорных систем для обмена информацией разрядностью от 1 до 4 байтов (магистраль VME). ГОСТ Р МЭК 821-2000», Государственный Стандарт Российской Федерации, Москва, 2000).
Существенными признаками прототипа, совпадающими с существенными признаками предлагаемого технического решения, являются: аэродинамическая труба, объект испытаний, размещенный в ней на тензометрических весах, закрепленных на программно-управляемой исполнительными механизмами державке, аналоговые датчики давления и температуры, датчики перемещения, расположенные на осях приводов исполнительных механизмов, цифровые датчики давления и оборудование в стандарте VME, включающее тензометрический модуль, модуль аналого-цифрового ввода-вывода, модуль измерения частоты, модуль дискретного вывода, процессорный модуль; при этом тензометрические весы соединены аналоговыми линиями связи с тензометрическим модулем, приводы исполнительных механизмов соединены цифровыми линиями связи с модулем дискретного вывода, аналоговые датчики давления и температуры соединены аналоговыми линиями связи с модулем аналого-цифрового ввода-вывода, цифровые датчики давления соединены цифровыми линиями связи с модулем измерения частоты; при том все оборудование в стандарте VME объединено в едином крейте.
С помощью комплекса ИВК М2 можно получать и обрабатывать информацию со следующих типов датчиков: тензометрических; аналоговых, имеющих на выходе постоянное напряжение; частотных. Также ИВК М2 позволяет осуществлять выдачу команд для управления исполнительными механизмами.
К недостаткам прототипа относится низкая точность измерения линейных и угловых перемещений исполнительных механизмов в связи с использованием аналоговых датчиков перемещения и невозможностью работы с цифровыми квадратурными датчиками перемещения, использующими штриховые растры, которые являются наиболее совершенными из всех типов датчиков перемещения и обеспечивают наивысшую степень точности. Например, аналоговые датчики углового перемещения типа сельсин БС-155А по классу точности "А" имеют погрешность следования в трансформаторном режиме ±5′, а квадратурные датчики перемещения типа ЛИР-3170А по 3 классу точности имеют погрешность ±2,5′′, что в 120 раз точнее. Кроме того квадратурные датчики обеспечивают формирование референтной метки, что позволяет работать как в относительной, так и в абсолютной системе координат.
Предлагаемой полезной моделью решается задача повышения точности измерения линейного и углового перемещения исполнительных механизмов в абсолютной и относительной системе координат с использованием цифровых квадратурных датчиков перемещения.
Для достижения указанного технического результата в измерительно-управляющем вычислительном комплексе, содержащем аэродинамическую трубу, объект испытаний, размещенный в ней на тензометрических весах, закрепленных на программно-управляемой исполнительными механизмами державке, аналоговые датчики давления и температуры, датчики перемещения, расположенные на осях приводов исполнительных механизмов, цифровые датчики давления и оборудование в стандарте VME, включающее тензометрический модуль, модуль аналого-цифрового ввода-вывода, модуль измерения частоты, модуль дискретного вывода, процессорный модуль; при этом тензометрические весы соединены аналоговыми линиями связи с тензометрическим модулем, приводы исполнительных механизмов соединены цифровыми линиями связи с модулем дискретного вывода, аналоговые датчики давления и температуры соединены аналоговыми линиями связи с модулем аналого-цифрового ввода-вывода, цифровые датчики давления соединены цифровыми линиями связи с модулем измерения частоты; при том все оборудование в стандарте VME объединено в едином крейте; датчики перемещения выполнены квадратурными, измерительно-управляющий вычислительный комплекс содержит соединенный с ними цифровыми линиями связи модуль преобразователей сигналов квадратурных датчиков перемещения, подключенный к одному из свободных слотов крейта.
Кроме того, дополнительно, для повышения точности в качестве квадратурных датчиков перемещения применены датчики, использующие штриховые растры.
Модуль преобразователей сигналов квадратурных датчиков перемещения известен. Одним из устройств с похожей схемой и подобной функциональностью является устройство цифровой индикации ЛИР 511 или 531 фирмы «СКБ ИС» (Каталог «СКБ ИС», 195009 Санкт-Петербург, Кондратьевский пр.2, корп.11).
Отличительными признаками предлагаемого технического решения является то, что датчики перемещения выполнены квадратурными, измерительно-управляющий вычислительный комплекс содержит соединенный с ними цифровыми линиями связи модуль преобразователей сигналов квадратурных датчиков перемещения, подключенный к одному из свободных слотов крейта.
Дополнительно в качестве квадратурных датчиков перемещения применены датчики, использующие штриховые растры.
Благодаря наличию указанных отличительных признаков в совокупности с известными (указанными в ограничительной части формулы), достигается следующий технический результат - реализуется получение информации о положении исполнительных механизмов с использованием цифровых квадратурных датчиков перемещения, что позволяет проводить измерения как в абсолютной, так и в относительной системе координат, и повысить точность измерений.
Предложенное техническое решение может найти применение в различных областях техники, в частности на аэродинамических трубах для определения положения исполнительных механизмов; на различных стендах для определения углового и линейного перемещения.
Полезная модель поясняется рисунками фиг.1-3.
На фиг.1 показана функциональная схема предлагаемого технического решения. На фиг.2 представлена временная диаграмма сигналов на выходе квадратурного датчика и входе модуля преобразователей сигналов квадратурных датчиков перемещения. На фиг.3 (лист 1, 2) приведена принципиальная электрическая схема платы-мезонина 2-х канального модуля преобразователей сигналов квадратурных датчиков перемещения.
Представленный на фиг.1 измерительно-управляющий вычислительный комплекс содержит аэродинамическую трубу 1, объект испытаний 2, размещенный в ней на тензометрических весах 3, закрепленных на программно-управляемой исполнительными механизмами 4 державке 5, аналоговые датчики давления 6 и температуры 7, датчики перемещения 8, расположенные на осях приводов исполнительных механизмов 4, цифровые датчики давления 9 и оборудование в стандарте VME, включающее тензометрический модуль 10, модуль аналого-цифрового ввода-вывода 11, модуль измерения частоты 12, модуль дискретного вывода 13, процессорный модуль 14; при этом тензометрические весы 3 соединены аналоговыми линиями связи с тензометрическим модулем 10, приводы исполнительных механизмов 4 соединены цифровыми линиями связи с модулем дискретного вывода 13, аналоговые датчики давления 6 и температуры 7 соединены аналоговыми линиями связи с модулем аналого-цифрового ввода-вывода 11, цифровые датчики давления 9 соединены цифровыми линиями связи с модулем измерения частоты 12; при том все оборудование в стандарте VME объединено в едином крейте 15.
Датчики перемещения 8 выполнены квадратурными, измерительно-управляющий вычислительный комплекс содержит соединенный с ними цифровыми линиями связи модуль преобразователей сигналов квадратурных датчиков перемещения 16, подключенный к одному из свободных слотов крейта 15.
На фиг.1 обозначено:
16 ПСКД - модуль преобразователей сигналов квадратурных датчиков перемещения
12 ИЧ - модуль измерения частоты
13 ДВ - модуль дискретного вывода
10 Т - тензометрический модуль
11 АЦВВ - модуль аналого-цифрового ввода-вывода
14 П - процессорный модуль
На временной диаграмме сигналов на фиг.2 изображены ортогонально сдвинутые сигналы Ua и Ub, вырабатываемые квадратурными датчиками перемещения, а также сигнал Uref референтной метки.
В принципиальную электрическую схему платы-мезонина 2-х канального модуля преобразователей сигналов квадратурных датчиков перемещения 16, представленную на фиг.3 (лист 1, 2), входят следующие компоненты: соединительные розетки PBD-16 17; микросхемы передатчика 559ИП11 18; ограничительные резисторы 19; микроконтроллер ATMega8 20; соединительные колодки PLD-80 21. Все компоненты соединены проводниками согласно принципиальной схеме.
Предлагаемый комплекс функционирует следующим образом:
Модуль преобразователей сигналов квадратурных датчиков перемещения 16 применяется с квадратурными датчиками перемещения 8, использующими штриховые растры, и обеспечивающими выработку двух ортогонально сдвинутых сигналов Ua и Ub. Наличие таких сигналов позволяет определить перемещение в пределах шага растра и определить направление перемещения. Кроме этого датчики 8 обеспечивают формирование референтной метки Uref. Этот сигнал позволяет работать в абсолютной системе координат.
Квадратурные датчики перемещения 8 имеют на выходе прямоугольный импульсный сигнал типа ПИ, который подается на микросхему передатчика 559ИП11 18 (аналоги AM26LS31, 26ЕТ31), обеспечивающую парафазные выходные сигналы TTL уровней. Эти сигналы через кабель поступают на входной разъем модуля-носителя 98100 предназначенного для сопряжения с шиной VME различных устройств, изготовленных в виде плат-мезонинов. Плата занимает две позиции на модуле-носителе и предназначена для подключения двух преобразователей сигналов квадратурных датчиков перемещения. Входные сигналы a, ia, b, ib, ref, iref, где i - обозначает инверсный сигнал, через розетки X1 и Х2 17 поступают на входы парафазных приемников D1 и D2 18 типа 559ИП11 (AM26LS32). Резисторы R1÷R6 19 служат для согласования волнового сопротивления кабеля с входами приемников. Выходные сигналы Ua, Ub, Uref с соответствующими номерами подключаются к входным портам микропроцессора MCU1 типа ATMega8 20.
Для подключения сигналов a1, b1, ref1, a2, b2 и ref2 с выходов приемников используются линии порта С микропроцессора ATmega8 20 (PC0÷PC5). Для подключения линий двунаправленного обмена с платой модуля-носителя в качестве шин данных используется порт D микропроцессора ATmega8 20 (PD0÷PD7). Линии двунаправленного обмена подключаются соответственно к шинам РВ (0÷7), PD (0÷7), PF (0÷7) и РН (0÷7) субмодулей (0÷3) модуля-носителя. Для подключения адресных шин используется порт В ATmega8 20 (РВ2÷РВ5). Адресные шины подключаются соответственно к шинам РА (0÷3), PC (0÷3), РЕ (0÷3) и PG (0÷3) субмодулей (0÷3) модуля-носителя. Для подключения сигналов управления в микропроцессор ATmega8 20 (WR) используются разряды PA(i), PC(i), PE(i) и PG(i) субмодулей (0÷3) модуля-носителя в соответствии с таблицей:
Сигнал
Обозначение
Разряд PA, PC, РЕ, PF - (i)
Запись
WR
4
Чтение
RD
5
Прерывание
IRQ
6
Сброс
res
7
Питание +5 В с контактов 1, 2 Х3 и Х4 21 подается на контакты 16 разьема X1 и Х2 17 для обеспечения питанием датчиков перемещения 8 и цифровую землю с контактов 15, 16 Х3 и Х4 21 на контакты 13÷15 разьемов X1 и Х2 17 для подачи нулевого потенциала на датчики перемещения 8. Распределение регистров УРР следующее:
Номера регистров
Назначение
Формат
0
Текущее состояние канала 1
Byte
1
Текущее состояние канала 2
Byte
2
Предыдущее состояние канала 1
Byte
3
Предыдущее состояние канала 2
Byte
4, 5
Счетчик канала 1
Word
6, 7
Счетчик канала 2
Word
8
Управление канала 1
Byte
9
Управление канала 2
Byte
10, 11
Значение счетчика канала 1 при Uref1
Word
12, 13
Значение счетчика канала 2 при Uref2
Word
Текущее состояние канала сравнивается с предыдущим сложением по MOD2. При несовпадении изменяется счетчик канала (добавляется или вычитается единица), а текущее состояние переписывается в регистры предыдущего состояния. Знаковый разряд регистра управления канала становится отрицательным, что показывает наличие события по каналу. При приходе сигнала референтной точки Uref содержимое счетчика соответствующего канала переписывается в регистр значения счетчика канала, флаг байта регистра управления канала взводится и вырабатывается сигнал запроса прерывания IRQ. При опросе регистров значения счетчиков этот флаг опускается. По сигналу WR производится запись по соответствующему адресу в байты 4÷7 (предустановка счетчиков). По сигналу res производится сброс микропроцессора ATmega8 20. При поддержании высокого уровня данного сигнала разрешается работа мезонина.