[стр.-0]
Математическое моделирование магнитострикционных преобразователей положения на базе DSP микропроцессора
Вдовин А. Ю. (8atlant8@mail.ru)
Астраханский государственный технический университет
Целю данной работы является построение математической модели магнитострикционного преобразователя положения (МПП) и исследование с ее помощью метрологических характеристик преобразователя.
Структурная схема МПП на базе DSP микропроцессора и осциллограммы сигналов первичного преобразователя представлены на рис. 1.
3°
&3
sю
яq
и&
ФИТЗ - формирователь импульса тока записи; ПУ - предварительный усилитель; ФНЧ - антиэллайсинговый фильтр низких частот; АЦП - быстродействующий АЦП; CLK - тактовый вход АЦП.
а )
Г" ВЭВкНг-=ff--1
ft
Н- S U g»5 IPig: Ы L В- 1 U
б)
Рис 1. Конструкция МПП (а) и осциллограмма формирующихся сигналов первичного
преобразователя (б).
Устройство работает следующим образом: DSP микропроцессор выдает сигнал на формирователь импульса тока записи ФТИЗ, который формирует мощный импульс тока (рис. 1б, канал В) в первичный преобразователь, представляющий собой магнитострикционную линию задержки на крутильных или продольных колебаниях [1]. В результате электроакустических преобразований на его выходе формируется сигнал считывания, который усиливается по амплитуде предварительным усилителем ПУ (рис. 1б, канал А справа). Антиэллайсинговый фильтр низких частот ФНЧ подавляет частоты выше частоты дискретизации fT для избежания
эффекта наложения спектров. Быстродействующий АЦП, непрерывно тактируемый DSP микропроцессором, формирует на его шине данных последовательности цифровых отсчетов соответствующих текущему состоянию сигнала с первичного преобразователя. Алгоритм функционирования DSP микропроцессора производит дальнейшую обработку отсчетов и формирует результат измерения. Результатом измерения является определенный интервал времени между сигналами записи и считывания, который связан с положением объекта позиционирования через скорость распространения магнитострикционного импульса в первичном преобразователе [1].
Блок-схема алгоритма функционирования DSP микропроцессора представлена на рис. 2.
Начало
©
\ | f | |
Измерение дискрета и помещение его в циклический массив | ||
\ | ||
Ид ентнфикация промаха н полезного сигнала | ||
Нет
Фиксация времени ид ентнфикацнн полезного сигнала м г I I
Завершение формирования циклического массива
Выделение выборки временного окна
\ | 1 |
Определение коэффициентов Д11Ф стабильных гармоник | |
\ | 1 |
Вое становление сигнала - обратное ДПФ | |
\ | 1 |
Локализация главного экстремума | |
\ | 1 |
Интерполяция меязду интервалами дискр етиз алии | |
\ | 1 |
Поиск главного экстремума tmin | |
\ | 1 |
Формирование результата х - пол ~*~ min | |
\ | 1 |
I КонецI
Рис. 2. Блок-схема алгоритма функционирования DSP микропроцессора.
В основу алгоритма функционирования DSP микропроцессора положен разработанный автором метод уменьшения случайной погрешности на основе спектрального анализа сигнала считывания первичного преобразователя.
Поступающие на шину данных отсчеты помещаются в циклический массив. Величина массива должна быть несколько больше требуемой величины соответствующей временному окну изменения сигнала считывания на максимально возможную ошибку времени идентификации полезного сигнала. Величина окна определяет частотное разрешение дискретного преобразования Фурье (ДПФ). Одновременно поступающие отсчеты исследуются алгоритмом идентификации
полезного сигнала. При совпадении условий, которые определяют совокупность поступающих отсчетов как полезный сигнал, фиксируется время поступления отсчета (или его номер) ол. Идентификация промаха, который может возникнуть при мощной помехе, не останавливает циклы заполнения массива. Далее идет завершение формирования циклического массива, заключающееся в проведении еще некоторого количества отсчетов соответствующего окончанию изменения сигнала. Из полученного массива производится выборка отсчетов, величина которой определяется временным окном. По полученной таким образом дискретной последовательности вычисляются коэффициенты ДПФ соответствующие стабильным гармоническим компонентам сигнала считывания, определенных априорно. После этого решается задача восстановления дискретной последовательности, причем восстановление может происходить с шагом меньшим шага дискретизации. Это будет определяться, следующей после, процедурой локализации главного экстремума, заключающая в определении окрестности, где значение восстановленной функции минимально (максимально) кратной шагу дискретизации сигнала. Задача поиска главного экстремума сводится к интерполяции восстановленной функции в этой окрестности и определению ее минимального (максимального) значения.
Для анализа метрологических характеристик преобразователя была реализована его математическая модель в интегрированной инженерной среде MATLAB 6.1 в виде М-файла[2]. Модель способна обрабатывать как искусственно генерированные ею сигналы, так и экспериментальные данные сигнала считывания.
Блок-схема модели представлена на рис. 3
Генератор сигнала
первичного преобразователя
Генератор шума и помех
Блок
идентификации
полезного сигналя
Формирователь массива данных
Преобразователь БПФ
Блок обратного ДПФ
Блок локалшации и поиска главного экстремума
Рис. 3. Блок-схема математической модели МПП на базе DSP микропроцессора.
Оцифрованный и отфильтрованный сигнал считывания моделируется при помощи генератора сигнала первичного преобразователя и генератора шума и помех.
Генератор сигнала первичного преобразователя загружает данные из внешних файлов формата ASCII, представляющих собой последовательности чисел - абсцисс и ординат цифровых осциллограмм. Поскольку цифровые осциллограммы несут информацию только о полезном, снятом лабораторно сигнале, полученные данные дополняются нулевыми точками на требуемый временной отрезок. График исходного сигнала представлен на рис. 4.
