СИСТЕМА СБОРА ИНФОРМАЦИИ ДЛЯ ДОННЫХ ИЗМЕРЕНИЙ В СВЕРХНИЗКОЧАСТОТНОМ ДИАПАЗОНЕ

Полезная модель относится к техническим средствам, долговременной автономной регистрации напряжения в сверх низкочастотном диапазоне (0,000001-1000 Гц) в условиях моря, при заглублении до 200 м. Полезная модель предназначена для долговременной автономной оцифровки и накопления сигнала, в сверхнизкочастотном диапазоне, от высоко- или низкоимпедансных датчиков, погруженных на дно. В том числе, устройство может быть использовано в качестве цифрового регистратора при измерении физических полей различной природы при донных измерениях: температуры, давления, теллурических токов, магнитного поля, сейсмических сигналов, низкочастотных аккустических сигналов; допускается режим как кратковременных, так и мониторинговых наблюдений.
Известна научно-производственная разработка автономной одноканальной системы сбора, обработки, хранения и передачи информации о медленно изменяющихся процессах, ориентированная на проведение донных измерений - ЭЛИС-3, содержащая: инструментальный усилитель AD627, АЦП AD7714, микроконтроллер AT90S8515 фирмы Atmel, флэш-память серии АТ45 фирмы Atmel (см. описание системы ЭЛИС-3, производства ИЗМИРАН, Гайдаш С.П. Морские электромагнитные исследования: создание инструментально-методического обеспечения, эксперимент, результаты // автореферат канд. дисс. физ.-мат. наук, Троицк, 2007).
Недостатками известного технического средства являются: малый объем памяти для хранения данных, применение инструментального усилителя AD627, отсутствие системы синхронизации, наличие одного цифрового канала. Флэш-память серии АТ45 имеет максимальный объем 8 Мбайт (при регистрации 24х битного канала с частотой 10 Гц время
регистрации ограничится значением в 75 дней), что является недостаточным для записи дополнительной информации (GPS-синхронизация) или для проведения долговременных сеансов наблюдения. Инструментальный усилитель AD627 реализован по «классической» схеме, которая подразумевает значительный тренд нуля на длинных периодах в отличие от схемы «модуляция-демодуляция» (МДМ). В техническом средстве ЭЛИС-3 не предусмотрено проработанной системы синхронизации, что может приводить к значительным временным сдвигам при долговременных автономных наблюдениях; так, для гармонического сигнала с частотой 30 секунд погрешность синхронизации в 1 секунду приведет к значительной погрешности оценки фазы - 12 градусов.
Известен серийно-выпускаемый четырех канальный блок аналого-цифрового преобразования Е24, содержащий четыре микросхемы аналого-цифрового преобразования AD7714 и микроконтроллер AT90S2313 фирмы Atmel (см. описание блока Е24, производства ЗАО «Л-Кард»: www.lcard.ru). Недостаток этого решения заключается в отсутствии внутренней памяти, что обуславливает необходимость постоянного подключения Е24 к внешнему устройству для хранения данных (например, компьютеру), а также отсутствие полной гальванической развязки измерительных каналов, что делает невозможным использование более чем одного канала при измерениях в низкоомной морской среде (кажущееся сопротивление порядка 0,3 Ом·м).
Задачей, на которую направлена полезная модель, является повышение возможностей и снижение стоимости наблюдений, выполняемых при долговременной автономной регистрации напряжения в сверхнизкочастотном диапазоне, за счет улучшения технических характеристик и конструктивных особенностей технического средства: увеличения объема памяти для хранения данных; применения инструментального усилителя реализованного по схеме МДМ; дополнения устройства аппаратно-программной схемой синхронизации наблюдений
использующей, в качастве опорного для синхронизации и набора статистики, сигнал GPS; создания многоканальной системы, с полностью гальванически развязанными каналами.
Технический результат, достигаемый при решении поставленной задачи, выражается в увеличении времени автономных наблюдений, увеличении стабильности нуля при сверхдлиннопериодных наблюдениях, получении более точной привязки записи во времени, возможности высокосинхронной регистрации наблюдений с нескольких различных датчиков. Кроме того, заявленное устройство будет особо эффективно, за счет применения GPS, при наземных долговременных (мониторинговых) наблюдениях, как в полевых условиях, так и в условиях обсерватории.
Поставленная задача решается тем, что система сбора информации, содержащая узел управления, накопитель данных, часы реального времени, от одного до восьми измерительных узлов, снабженных усилителями и отдельными источниками питания, отличается тем, что в качестве узла управления использован микроконтроллер, работающий под управлением специализированной программы и снабженный, по меньшей мере, двумя интерфейсами USART, одним SPI и одним I2C, при этом в качестве накопителя информции использованы два цифровых накопителя FlachCard типа CD или ММС, подключенные к шине SPI, причем предусмотрен переключатель, присоединенный к портам микроконтроллера и реализующий выбор первого или второго накопителя, кроме того, предусмотрено подключение к шине SPI от одного до восьми гальванически развязанных измерительных узлов, работающих от одного тактового генератора, причем каждый узел содержит инструментальный усилитель измеряемого сигнала, реализованный по схеме МДМ, 24-х битный аналого-цифровой преобразователь, источник опорного напряжения, источник питания и схему гальванической развязки, кроме того в состав системы сбора информации введены высокоточные часы реального времени, осуществляющие обмен данными с
микроконтроллером по шине I2C и подающие на микроконтроллер импульсы с частотой 1 Гц и частотой 32 кГц для осуществления синхронизации с UTP, также в состав системы сбора информации входит GPS-приемник подключаемый к шине USART0 и устройство для подключения GPS приемника, содержащее гальваническую развязку, преобразователь уровней электрических сигналов к протоколу RS-232, источник опорного напряжения и источник питания, причем предусмотрена передача секундных импульсов с GPS на порт микроконтроллера, кроме того, система сбора информации для обмена данными и командами с внешним устройством по шине USART1, включает узел, в состав которого входит гальваническая развязка, преобразователь уровней электрических сигналов к протоколу RS-232 и стабилизатор напряжения, также предусмотрено герметичное исполнение системы сбора информации позволяющее производить погружение на глубины до 200 метров.
Сопоставительный анализ признаков заявленного решения с признаками прототипа и аналогов свидетельствует о соответствии заявленного решения критерию "новизна".
Совокупность признаков формулы полезной модели обеспечивает решение поставленной задачи - повышение возможностей и снижение стоимости наблюдений, выполняемых при долговременной автономной регистрации напряжения в сверхнизкочастотном диапазоне, за счет улучшения технических характеристик и конструктивных особенностей технического средства: увеличения объема памяти для хранения данных; применения инструментального усилителя реализованного по схеме МДМ; дополнения устройства аппаратно-программной схемой синхронизации наблюдений использующей, в качестве опорного для синхронизации и набора статистики, сигнал GPS; создания многоканальной системы, с полностью гальванически развязанными каналами.
Заявленная полезная модель иллюстрируется чертежами: на фиг.1 показана схема устройства; на фиг.2 показаны временные диаграммы, используемые при синхронизации записи сигнала с UTP.
На чертеже фиг.1 показаны узел управления 1 (микроконтроллер), для которого предусмотрен разъем 2, используемый для внутрисхемного программирования и эмуляции, источник питания 3, соединенный другими компонентами шиной питания 4. Часы реального времени 5 соединены с микроконтроллером 1 шиной I2C 6, выходом тактовых импульсов 7 с частотой 1 Гц и выходом тактовых импульсов 8 с частотой 32 кГц. Два накопителя информации 9, реализованные при помощи CD или ММС карт, подключены к шине SPI 10, при этом предусмотрен переключатель 11, позволяющий производить ручное переключение между накопителями. Генератор 12 задает тактовую частоту, передаваемую при помощи шины 13 на каждый из восьми измерительных узлов 14. При этом каждый измерительный узел включает схему гальванической развязки 15, аналогово-цифровой преобразователь 16, инструментальный усилитель 17 на который поступает измеряемый сигнал по линии 18, и, после усиления, поступает на аналогово-цифровой преобразователь 16 по линии 19; кроме того измерительный узел включает источник питания 20 и источник опорного напряжения 21, соединенный с другими компонентами шиной питания 22. По шине USART1 23 микроконтроллер 1 соединен с узлом 24 для обмена данными и командами с внешним устройством по протоколу RS-232; узел включает схему гальванической развязки 25, преобразователь уровней электрических сигналов 26 к протоколу RS-232, соединенный с разъемом 27 выхода на внешнее устройство, при этом питание узла 24 поступает с разъема 27 по линии 28 на стабилизатор напряжения 29 и далее на шину питания 30. По шине USART0 31 микроконтроллер 1 соединен с узлом 32 подключения GPS, который включает схему гальванической развязки 33, преобразователь уровней электрических сигналов 34 к протоколу RS-232, который соединен с GPS-устройством 35;
питание узла 32 осуществляется по шине питания 36, соединенной со стабилизатором напряжения 37, который подключен к источнику питания 38. GPS-устройство 35 подает секундные импульсы по линии 39 на схему гальванической развязки 33 и, далее на порт микроконтроллера 1. Кроме того микроконтроллер, посредством разъема 40, соединен со входом специализированного устройства, обеспечивающего подъем системы сбора информации со дна и подачу сигналов для его обнаружения. Измерительный узел 14 подключается посредством разъема 41, узел 24 для обмена данными и командами с внешним устройством - посредством разъема 42, узел 32 подключения GPS - посредством разъема 43.
В качестве узла управления 1 системой сбора информации использован микроконтроллер (ATmega164P или иной), работающий под управлением специальной программы и снабженный, по меньшей мере, двумя интерфейсами USART, одним SPI и одним I2C. При этом специальная программа обеспечивает выполнение следующих функций:
- осуществляет взаимодействие через узел 24 с внешним устройством, от которого получает команды конфигурирующие узлы системы сбора информации и задающие параметры режима измерения;
- задает режим работы аналого-цифрового преобразователя 16 в каждом из узлов 14, обеспечивает прием оцифрованных значений и передачу необходимых команд;
- сохраняет результаты измерений, в определенном формате, на одном из цифровых носителей 9, в зависимости от положения переключателя 11 и установленного режима измерений;
- позволяет передавать данные на внешнее устройство через узел 24, с целью визуализации (использования внешнего устройства как графического осцилографа) или сохранения;
- задает режим работы GPS-устройства, обеспечивает прием данных с GPS-устройства по шине 31 и синхроимпульсов по линии 39;
- устанавливает часы реального времени 5, обеспечивает синхронизацию часов с GPS-устройством 35 при помощи синхронизации импульсов, поступающих на микроконтроллер по линиям 7 и 39;
- регистрирует погрешность ухода часов реального времени 5 при помоши линий 7,39 и выходом тактовых импульсов 8 с частотой 32 кГц;
- подает импульс, свидетельствующий о завершении регистрации, на вход 40 специализированного устройства, обеспечивающего подъем системы сбора информации со дна и подачу сигналов для ее обнаружения.
При этом подключение специального отладочного устройства к разъему 2 позволяет осуществлять внутрисхемное перепрограммирование микроконтроллера и отладку программы в режиме эмуляции.
В качестве накопителей информации 9 используются Flash Card типа ММС или CD, объемом до 8Гбайт каждая. В зависимости от заданного режима измерений выбор накопителя может осуществляться:
- вручную, при помощи переключателя 11, с прекращением записи при заполнении одного из накопителей;
- автоматическое заполнение обоих накопителей с последующим прекращением записи (без осуществления перезаписи) вне зависимости от положения переключателя 11;
- автоматическая последовательная запись на последующий накопитель при заполнении текущего (с осуществлением перезаписи) вне зависимости от положения переключателя 11.
Данные сохраняются на накопителе в специальном формате, при этом регистрируется:
- параметры режима работы системы сбора информации, в том числе, конфигурация каждого измерительного узла;
- команды, поступающие с внешнего устройства, в процессе работы системы сбора информации;
- значение измеряемого сигнала с каждого из измерительных узлов 14 с записью номера измерительного узла;
- результаты, принимаемые с GPS-приемника 35 (при подключенном узле подключения 32 GPS), в том числе дату, время, координаты и характеристики точности определения времени и координат;
- результаты, получаемые с часов реального времени 5, включая дату, время, погрешность ухода часов, оцениваемую по разнице между импульсами на линиях 7 и 39; при этом в качестве меры используются импульсы с частотой 32 кГц, получаемые по линии 8.
Оцифровка аналогового сигнала 18 с некоторого датчика осуществляется при помощи узла регистрации 14. При этом аналоговый сигнал поступает на инструментальный усилитель 17, расчитанный на регистрацию низкочастотных сигналов и выполненный по схеме МДМ (AD8553 или иной) и, далее, на 24-х битный преобразователь (AD7793 или иной), расчитанный на регистрацию низкочастотных сигналов. Далее, оцифрованный сигнал поступает через схему ральванической развязки 15 (ADuM1401 или иной) на шину SPI. Тактовая частота аналого-цифрового преобразователя задается генератором 12, гальванически развязанным от узла регистрации при помощи быстродействующего оптрона. Каждый узел регистрации имеет отдельный источник питания 20, подключаемый к шине питания 22 через прецезионный источник опорного напряжения. Таким образом, узел регистрации 14 является полностью гальванически развязанным от других узлов системы сбора информации. Подключение от одного до восьми узлов регистрации 14 осуществляется посредством разъема 41 коммутирующим шину питания 4, шину интерфейса SPI 10, шину тектовой частоты аналого-цифровых преобразователей 13.
Режим работы системы сбора информации задается с внешнего управляющего устройства, подключаемого к разъему 27 узла обмена данными и командами с внешним устройством; узел является гальванически развязанным и отключаемым от измерителя напряжения и присоединяется к нему посредством разъема 42, коммутирующего шину питания 4 и шину USART1 23. Внешнее устройство должно обладать
внешним портом, реализующим обмен данными по интерфейсу RS-232; таким устройством может выступать, например, компьютер или КПК соответствующей конфигурации. Узел, предусматривает питание от внешнего устройства подаваемое посредством разъема 27 и линии 28 на преобразователь напряжения 29, входное напряжение на котором варьируется от 5 до 18 В, а выходное составляет 5 В. Также узел содержит преобразователь логических уровней КПОП  к уровням RS-232 (МАХ3221). При этом специальная программа внешнего устройства задает следующие параметры работы системы сбора информации:
- режим работы аналого-цифрового преобразователя 16 в каждом из узлов 14, в том числе частоту регистрации сигнала и коэффициент встроенного усилителя АЦП;
- режим сохранения результатов измерений;
- режим работы GPS-устройства 35, в том числе периодичность и продолжительность опроса GPS;
- дает команду на синхронизацию часов 5 с GPS-устройством 35 и задает микроконтроллеру 1 параметры синхронизации;
- дает команду на передачу данных на внешнее устройство через узел 24, с целью визуализации (использования внешнего устройства как графического осцилографа) или сохранения;
- конфигурирует режим подачи импульса на вход 40.
GPS подключается к системе сбора информации посредством разъема 43 коммутирующего шину питания 4 и шину USART0 31 и линию секундного импульса синхронизации 39, поступающего с GPS. При этом узел подключения GPS-устройства имеет отдельный источник питания 38, присоединенный к шине питания 36 посредством преобразователя напряжения 37. Узел является гальванически развязанным и отключаемым от системы сбора информации. Также узел содержит преобразователь логических уровней КПОП  к уровням RS-232 (МАХ3221) 34 и GPS-устройство 35. Передача данных на микроконтроллер осуществляется
посредством шины USART0 31, при этом режим работы GPS-устройства устанавливается командами микроконтроллера 1 по шине USART0 31, согласно командам внешнего управляющего устройства, подключаемого к разъему 27.
Временная привязка при работе системы сбора информации осуществляется следующим способом (фиг.2):
1) фиксируется передний фронт секундного импульса, приходящий с часов реального времени 5 (RTC), относительно которого начинается отсчет импульсов частотой 32 кГц, подаваемого на микроконтроллер по линии 7, одновременно, время по часам 5 записывается на накопитель данных 9;
2) фиксируется одно из следующих событий
- приход переднего фронта секундного импульса по линии 39 (фиг.2, интервал t1), с узла подключения GPS 32, если этот узел присоединен к системе сбора информации, после чего на накопитель данных 9 записывается значение счетчика импульсов 32 кГц и, после приема данных, - данные GPS;
- готовность АЦП 16 к передаче данных по шине SPI 10 (фиг.2, интервалы t2, t3), после чего на накопитель данных 9 записывается значение счетчика импульсов 32 кГц и, после приема данных, - данные с АЦП 16 (для каждого измерительного узла 14).
При синхронизации часов реального времени выполняется такая установка часов реального времени, чтобы отклонение, измеряемое по счетчику 32 кГц, составляло менее 100 импульсов по счетчику 32 кГц (момент синхронизации отмечен на фиг.2 - линия 1-1'). При этом погрешность, при расчете точного времени по результатам записи на накопитель данных 9, составит менее 1/32000 секунды (фиг.2, интервал t0).
Регистрация данных осуществляется с адреса Flash памяти 9, задаваемого с внешнего устройства каждый раз при подаче команды на регистрацию через разъем 27. Запись начинается прописыванием «начальной» последовательности байт и заголовка, содержащего
информацию о режиме работы системы сбора информации. Запись завершается прописыванием концевой последовательности байт при подаче команды на остановку регистрации с внешнего устройства через разъем 27. Кроме того, предусмотрен режим форматирования Flash памяти 9, при подаче команды с внешнего устройства, записью во все ячейки накопителя информации значения 0; форматирование необходимо для поиска ячеек памяти накопителя информации при не штатном прекращении записи и отсутствии концевого заголовка (например, при отключении питания). Считывание данных возможно или путем перемещения накопителя данных 9 из системы сбора информации в соответствующее устройство чтения Flash памяти или через разьем 27, при подаче соответствующей команды с внешнего устройства.
Герметизация системы сбора информации, при донных исследованиях достигается покрытием поверхности печатной платы и микросхем герметизирующим лаком, изготовленным на основе эпоксидной смолы, и размещением регистратра внутри специальной гондолы, с погружением в керосин.
Приведенное описание схемы (фиг.1), режима работы отдельных узлов полезной модели и их функцинальной нагрузки отражают возможность осуществления полезной модели.
Достижение технического результата, заключающегося в повышении возможностей и снижении стоимости наблюдений, выполняемых при долговременной автономной регистрации напряжения в сверхнизкочастотном диапазоне, за счет улучшения технических характеристик и конструктивных особенностей технического средства, при осуществлении полезной модели определяется следующими характеристиками комплектующих и результатами опытно-конструкторских работ:
1. объем устройства цифрового хранения данных определяется объемом двух Flash Card и составляет более 16 Гб, что по сравнению с 8 Мб аналога больше в 2000 раз;
2. заявленное устройство позволяет одновременно производить цифровую запись напряжения с 8-ми каналов имеющих разрядность 24 бита; каналы являются полностью гальванически развязанными, каждый канал имеет отдельный источник питания;
3. точность синхронизации при подключенном узле передачи данных с GPS и условиях, обеспечивающих штатную работу GPS составляет 1/32000 секунды; при отключенном узле передачи данных с GPS погрешность синхронизации определяется температурой и давлением окружающей среды и может быть уменьшена за счет статистических оценок по рядам наблюдений при подключенном узле передачи данных с GPS;
4. при использовании микросхемы АЦП AD7793 частота оцифровки лежит в пределах 4,17-470 Гц, измеряемое напряжение является псевдо-биполярным (pseudo bipolar mode), минимальный шум АЦП, согласно документации, составляет 40 нВ и зависит от условий внешней среды (по результатам опытно-конструкторских работ - до 1 мкВ в условиях сильной электромагнитной зашумленности), максимальный диапазон входных напряжений составляет ±2,5 В;
5. при использовании микросхемы инструментального усилителя AD8535 коэффициент усиления входного сигнала может, при монтаже платы, устанавливаться от 0,1 до 10000, максимальный диапазон входных напряжений составляет ±2,5 В.