АВТОНОМНЫЙ РЕГИСТРАТОР ДАННЫХ

Автономный регистратор данных относится к области приборостроения и может быть использован для длительного автономного измерения физических параметров внешней среды в полевых условиях, например при осуществлении мониторинга.
Большинство регистраторов данных предназначены для измерения физических параметров в бытовых условиях. Промышленные регистраторы привязаны к источникам питания и линиям передачи данных.
Известно «Устройство для измерения температуры» (заявка на изобретение RU №93014352 от 30.04.1995), предназначенное для измерения температурных профилей жидких и газообразных сред при океанологических исследованиях. В основу изобретения положен термопреобразователь с двумя измерительными и двумя дополнительными кабелями, преобразователь сопротивления в напряжение, усилитель, АЦП, блок обработки информации и регистратор. Достигается технический эффект путем подключения кабеля преобразователя ко входу преобразователя сопротивления в напряжение, выход преобразователя сопротивления в напряжение подключен на вход усилителя, выход усилителя подключен на вход АЦП, выход которого подключен к блоку обработки информации, выход которого подключен к регистратору. Кроме того, устройство дополнительно содержит схему управления термопреобразователем, эталонный датчик, датчики температуры, реле подключения эталонного датчика, вспомогательные реле, реле подключения датчиков температуры, второй и первый диоды. Устройство позволяет оперативно изменять скорость опроса датчиков, выбирать заданный горизонт и производить длительные измерения температуры на этом горизонте, что значительно расширяет функциональные возможности устройства.
Недостатками аналога являются: наличие измерительных кабелей, и как следствие увеличение его массогабаритных характеристик, необходимость использования эталонных датчиков, требующих регулярной поверки и подстройки во время эксплуатации. В описании заявки также отсутствует информация касательно возможности и длительности автономной работы изделия.
Известно устройство «Даталоггер по мониторингу параметров авиационных шасси с низким потреблением питания» (патент на изобретение US №0106582 от 18.05.2006), включающий в себя модуль структурных компонент, который связан с датчиком для регистрации измерений с указанными параметрами. Модуль включает в себя блок питания, блок памяти для хранения данных с сенсора, и процессор обработки сигналов измерений с датчика, записи данных в памяти, спикер сигнализации, дисплей для отображения измерений и индикации состояния устройства. Процессор может использовать алгоритм подсчета для уменьшения объема хранящихся данных. Для экономии энергии, питание датчика включается только в момент регистрации сигнала, заданного программой. Датчик сопряжен с процессором через подсистему обработки сигналов, состоящую из усилителя и АЦП, каждая из которых включается и выключается в соответствии с требованиями программы измерений. USB-порт позволяет скачивать данные из памяти и осуществлять подзарядку батареи. Кроме того, память и аккумулятор объединены в съемный блок, таким образом, данные из памяти могут быть обработаны в другом месте при смене носителя. Изобретение относится к аналогово-цифровым электронным измерительным устройствам и способно регистрировать достоверные значения параметров состояния авиационных шасси воздушного судна.
Недостатком аналога является узкая область применения (мониторинг параметров авиационных шасси), ограниченная вариантом конструктивного исполнения.
Наиболее близким по своим признакам, принятым за прототип, является устройство «Даталоггер для записи, хранения и обработки данных» (US2008162053 от 2008-07-03), которое включает следующие функциональные блоки, расположенные в одном корпусе: один аналогово-цифровой преобразователь для преобразования сигналов измерений в цифровые данные, блок памяти для записи цифровых данных и оцифрованных данных, таймер, процессор для обработки данных, источник питания и интерфейсы ввода-вывода для измерения сигналов или цифровых сигналов. При этом выходной интерфейс может быть настроен как интерфейс-USB или аналогичный интерфейс данных. Процессор сконфигурирован для преобразования цифрового ввода данных и временных данных в формат, совместимый со стандартным программным обеспечением, например, находящемся в свободном доступе, что позволяет отображать обработанные данные с использованием стандартизированных программ в табличной и/или графической форме на устройствах вывода. Процессор может быть сконфигурирован для приема цифровых входных данных в режиме реального времени, а также сигналов защищенных программно, что позволяет их считывать и обрабатывать только с определенным программным обеспечением. Функциональные блоки настраиваются с помощью системы обработки данных и аппаратных средств, специального программного обеспечения Регистратор данных настроен для длительной записи температуры и влажности при транспортных или железнодорожных грузоперевозках при условии использования в качестве питания аккумулятора с возможностью его подзарядки.
Недостатками прототипа являются узкая область применения (мониторинг параметров при грузоперевозках), ограниченный диапазон снимаемых показателей температуры и то, что он не может быть использован автономно в полевых условиях для длительного мониторинга параметров внешней среды, что обусловлено его конструктивным исполнением.
Задача полезной модели - создание устройства, которое может быть использовано автономно в полевых условиях в течение длительного времени для измерения физических параметров окружающей среды: температуры, давления, влажности и т.д.
Техническим результатом, достигаемым при эксплуатации полезной модели, является:
1) Высокая точность и широкий диапазон измеренных значений параметров внешней среды в необорудованных местах.
2) Длительная автономная работа в труднодоступных полевых условиях.
3) Возможность накопления и сохранения измеренных значений параметров внешней среды.
Решение поставленной задачи и достижение заявленного технического результата обеспечивается предлагаемым автономным регистратором данных, включающим расположенные в одном корпусе взаимосвязанные функциональные блоки: активные аналоговые датчики, аналого-цифровой преобразователь, запоминающее устройство для записи цифровых данных, таймер реального времени, процессор для обработки данных, совместимых со стандартным программным обеспечением, источник питания, а также входные интерефейсы и выходной USB-интерфейс, который, в отличие от прототипа, дополнительно содержит инвертор напряжения и многоканальный аналоговый ключ, через который источник питания связан с инвертором напряжения и активными аналоговыми датчиками, а процессор связан с многоканальным аналоговым ключом через выходные дискретные интерфейсы.
Кроме того, устройство снабжено программой для ЭВМ для программного представления данных в виде табличной и графической зависимости, экспорта в форматы *.doc, *.xls, *.bmp, *.jpeg и настроек режима работы.
Наличие таких новых признаков полезной модели, как инвертор напряжения, многоканальный аналоговый ключ, через который связаны источник питания и инвертор напряжения, использование «спящего» режима работы процессора в интервалах времени между измерениями позволяют реализовать механизм низкого энергопотребления и обеспечение длительности автономной работы устройства.
Инвертор напряжения позволяет увеличить динамический диапазон измеряемых температур окружающей среды и обеспечить требуемую дискретность преобразования выходного напряжения первичного датчика в цифровой сигнал. За счет суммирования положительного выходного напряжения активного датчика температуры с отрицательным напряжением инвертора, уравнивается максимально возможное значение сигнала, соответствующее максимальному измеряемому значению физической величины с опорным напряжением аналого-цифрового преобразователя. В свою очередь, величина отрицательного напряжения инвертора по модулю подбирается равной положительному напряжению активного датчика, которое соответствует минимальному измеряемому значению физической величины. Это позволяет использовать низковольтные элементы питания без потери ширины динамического диапазона измеряемых температур и дискретности оцифровки входного сигнала сенсора.
Многоканальный аналоговый ключ позволяет реализовать механизм низкого энергопотребления за счет обеспечения подачи питания на аналоговые активные датчики только в момент проведения измерения.
В схеме использован многоканальный аналого-цифровой преобразователь, что обеспечивает сокращение габаритов регистратора.
Возможность накопления и сохранения измеренных значений параметров внешней среды обеспечивается выполнением запоминающего устройства в виде энергонезависимой флэш-памяти с возможностью последующей передачи измеренных значений по USB - интерфейсу при подключении к персональной ЭВМ.
Сущность полезной модели поясняется графическими материалами:
На фигуре 1 представлена функциональная схема автономного регистратора данных.
На фигуре 2 представлен вид диалогового окна программы при настройке режима работы устройства.
На фигуре 3 представлен пример вида диалогового окна программы с графиком результатов тестовых замеров.
Автономный регистратор данных содержит от 1 до 7 аналоговых активных датчиков 1, многоканальный аналого-цифровой преобразователь 2, выполненное в виде энергонезависимой флэш-памяти запоминающее устройство 3, таймер 4 реального времени, центральный процессор 5, блок 6 питания, интерфейс-USB 7, многоканальный аналоговый ключ 8, инвертор 9 напряжения, интерфейсы 10 дискретного вывода управляющих воздействий центрального процессора 5 на многоканальный аналоговый ключ 8. При этом инвертор 9 напряжения и аналоговые активные датчики 1 связаны с блоком 6 питания через многоканальный аналоговый ключ 8. Процессор 5 связан с многоканальным аналоговым ключом 8 через выходные дискретные интерфейсы 10.
Предлагаемая полезная модель может быть реализована в компактном герметичном корпусе, расширяющим область ее применения не только для автономной работы в полевых условиях, но и в условиях водных сред.
Блок 6 предназначен для питания всех функциональных блоков полезной модели, однако постоянно питание осуществляется только для таймера 4 и минимального «спящего» режима процессора 5. Включение питания активных датчиков 1 и инвертора напряжения 9, посредством многоканального аналогового ключа 8, происходит только на момент проведения измерений, согласно периоду, заданному таймеру 4 реального времени при настройке полезной модели. В интервалах времени между измерениями процессор 5 переходит в «спящий» режим, что обеспечивает низкое энергопотребление. Для экономии ресурсов блока питания 6, подключение каждого периферийного модуля микроконтроллера: АЦП 2, запоминающего устройства 3, интерфейсов 10 и интерфейса-USB7 осуществляется только по мере необходимости их работы. Интерфейс-USB7 служит для первичной настройки устройства и съема накопленной информации с запоминающего устройства 3, поэтому питание интерфейса-USB 7 осуществляется только в момент подключения устройства к персональному компьютеру. В то время, когда автономный регистратор данных отключен от USB-порта персональной ЭВМ, он работает в режиме регистрации данных в соответствии с заданными при настройке параметрами, например, такими как:
- период измерений от 1 секунды до 24 часов,
- время отложенного старта от 1 секунды до 24 часов,
- дискретность преобразований АЦП 2 в виде 8, 10,,12 разрядов,
- длина выборки для определения среднего значения результата, передаваемого в запоминающее устройство 3;
- инициализация текущей даты/времени.
При включении питания сигналы с датчиков 1 поступают в многоканальный аналого-цифровой преобразователь 2, откуда в оцифрованном виде поступают в запоминающее устройство 3, выполненное в виде энергонезависимой флэш-памяти, где результаты измерений хранятся как среднее значение из заданной при настройке выборке в запакованном виде в бинарном файле. Регистрация данных продолжается либо до подключения устройства к USB-порту персональной ЭВМ либо до переполнения флэш-памяти либо до разряда батарей блока питания 6. Выполнение запоминающего устройства 3 в виде энергонезависимой флэш-памяти гарантирует возможность сохранения записанных данных в случае разряда батарей блока питания 6.
Структура организации хранения данных представлена в виде логического диска с файловой системой FAT 12. Устройство снабжено программой для ЭВМ для программного представления данных в виде табличной и графической зависимости, экспорта в форматы *.doc, *.xls, *.bmp, *.jpeg и настроек режима работы.
Пример конкретного исполнения устройства.
Устройство позволяет подключать до семи различных активных аналоговых датчиков для измерения физических параметров окружающей среды. В качестве активного датчика 1, в макете устройства использован прецизионный датчик температуры LM335, имеющий следующие характеристики:
- Диапазон измеряемых температур: от -40°С до +100°С;
- Чувствительность сенсора: 10 мВ/К;
- Погрешность измерения при 25°С: 0,5°С;
- Потребляемый ток: от 0,4 мА до 5 мА.
В качестве запоминающего устройства 3 установлена флеш-память объемом 64 кБ, что позволит осуществить до 32000 регистрации измеренных значений.
Блок 6 питания представляет собой 3 элемента AAA 1,5 В. Структура организации хранения данных представлена в виде логического диска с файловой системой FAT 12.
Диалоговое окно программы в режиме настройки работы устройства представлено на Фиг.2. Видно, что в качестве активного сенсора из библиотеки датчиков выбран установленный датчик температуры LM335.
Параметры, заданные при настройке: время отложенного старта 60 сек, период измерений - 15 сек, заряд батареи блока питания на момент настройки устройства - 97%. Длина выборки для определения среднего значения результата, передаваемого в запоминающее устройство 3 и дискретность преобразований АЦП 2 установлены непосредственно в файле настроек устройства, поэтому на фиг.2 не отображены.
Инициализация текущей даты/времени на фигуре 2 соответствует началу проведения измерений.
Тестовые замеры проводились в жилом помещении в течение 1 часа при работающем бытовом обогревателе. Было произведено 236 измерений значений температуры окружающей среды. Результат измерений в виде графика представлен на Фиг.3. Тонкой линией 1 отмечены зафиксированные значения температуры, жирная линия 2 - температурный тренд. Заметного падения заряда батарей блока питания за время проведения измерений зафиксировано не было.