TÁMOP-4.2.2/B-10/1-2010-0012 projekt
„Az SZTE Kutatóegyetemi Kiválósági Központ tudásbázisának kiszélesítése és hosszú távú szakmai fenntarthatóságának megalapozása
a kiváló tudományos utánpótlás biztosításával”
Eötvös Loránd Kollégium Informatika műhely
2012. 11. 23.
Műszerhardverek és szoftverek fejlesztése
Dr. Mingesz Róbert
Történelem
• Zaj csoport megalakulása 1988
• Első saját tervezésű műszer 1990
• Fő motiváció:
– A kísérletek elvégzéséhez számítógéppel vezérelt mérés szükséges
– Nem érhető el megfelelő műszer (vagy drága)
TÁMOP-4.2.2/B-10/1-2010-0012 projekt
Történelem – DAS 1414
3
Történelem – mai műszerek
TÁMOP-4.2.2/B-10/1-2010-0012 projekt
Bevezetés
• Fizika, kémia, orvostudomány, mérnöki tudományok:
A mérés alapvető fontosságú
• A sikeres mérések alapfeltétele:
– megfelelő elméleti háttér – megfelelő méréstervezés
– megfelelő érzékelők (szenzorok), aktuátorok – megfelelő műszerek
5
Kereskedelmi műszerek
• Előnyök:
– univerzálisak
– kiváló paraméterek (jó esetben) – kalibráció
• Hátrányok:
– magas ár
– rugalmatlan, rögzített funkcionalitás – egyedi szoftverek, szabványok
– egy műszer önmagában általában nem elegendő
TÁMOP-4.2.2/B-10/1-2010-0012 projekt
Műszerek fejlesztése
• Előnyök:
– a megadott feladatra van szabva – ismert minden komponense
– egy műszer képes ellátni az összes feladatot, funkciót
– a műszer jelentős része szoftver: rugalmasan alakítható az adott feladathoz
• Hátrányok:
– kissé hosszabb fejlesztési idő
– több tudást/tapasztalatot igényel
7
Virtuális/szoftverbázisú műszerek
FIZIKA ELEKTRONIKA
INF/MAT egész
számok elektromos
jelek
hatás
Processzor és szoftver
aktuátor jel-
kondicionálás
D/A konverter
A/D konverter jel-
kondicionálás
szenzor külső
jelek
TÁMOP-4.2.2/B-10/1-2010-0012 projekt
Példa: Digitális oszcilloszkóp
9
Példa: Jelgenerátor
TÁMOP-4.2.2/B-10/1-2010-0012 projekt
Legfontosabb kérdések
• Milyen mennyiségek
• Milyen szenzorok
• Szenzorok illesztése
• Előerősítők
• A/D és D/A konverterek
• Mikrovezérlő
• PC kapcsolat
• PC szoftver
11
Szenzorok
TÁMOP-4.2.2/B-10/1-2010-0012 projekt
Mérőerősítő kapcsolás
13
Mérőerősítő kapcsolás zaja
TÁMOP-4.2.2/B-10/1-2010-0012 projekt
Mikrovezérlők – C8051F410
15
PC kapcsolat
• Múlt:
– Párhuzamos port – RS232
• USB
• Ethernet
• WIFI
• Bluetooth
• Ipari buszok
TÁMOP-4.2.2/B-10/1-2010-0012 projekt
PC szoftver feladatai
• Műszerrel való kommunikáció
• Adatok feldolgozása
• Adatok mentése
• Adatok megjelenítése
17
LabVIEW
TÁMOP-4.2.2/B-10/1-2010-0012 projekt
EDAQ 530 A
• 3 analóg bemenet (0V...5 V, 12 bit, 200 ks/s)
• 8 digitális I/O
SPI, I2C, PWM, számláló, … / analóg bemenet
• USB interfész
• Ár: IC-k: 3500 Ft; nyák, passzív alkatrészek: 2200 Ft
19
EDAQ16
TÁMOP-4.2.2/B-10/1-2010-0012 projekt
EDAQ16
• 4 analóg bemenet
– -5V...5V – 16 bit
– 1 Ms/s (2 szinkronizált csatorna) – PGA (1x...128x)
– 2 analóg kimenet (-5V...5V, 12 bit, 50 mA)
• 4 digitális I/O (SPI, I2C, PWM, számláló, …)
• 512 kByte RAM
• galvanikusan leválasztott
• Ár: 25000 Ft alatt
21
Beágyazott és PC szoftver
• Beágyazott szoftver
– C nyelvű
– Nyílt forráskódú
– Az adott feladatnak megfelelően módosítható
• PC szoftver
– Programozási környezetek:
LabVIEW, C#, C++, JAVA
(Virtuális soros port → számos más rendszer)
– Nyílt forrású, példákkal
TÁMOP-4.2.2/B-10/1-2010-0012 projekt
Harmonikus mozgás követése
• Műszer: EDAQ530
• Szenzor: Hall-szenzor
23
Kettős inga
• Műszer: EDAQ16
• Felső szenzor: gyorsulásmérő
• Alsó szenzor: pozíciókodoló
TÁMOP-4.2.2/B-10/1-2010-0012 projekt
Kettős inga
25
Mágneses histerézis
TÁMOP-4.2.2/B-10/1-2010-0012 projekt
B-H görbe
27
Feszültség-áram karakterisztika
• pl. dióda karakterisztika
TÁMOP-4.2.2/B-10/1-2010-0012 projekt
Feszültség-áram karakterisztika
29
Új fejlesztés: MA-DAQ
TÁMOP-4.2.2/B-10/1-2010-0012 projekt
MA-DAQ
• 8 analóg bemenet
– -5V...5V – 16 bit
– 1 Ms/s (2 szinkronizált csatorna) – 2 analóg kimenet (-5V...5V, 12 bit)
• 8 digitális I/O (SPI, I2C, PWM, számláló, PCA, …)
• CAN-BUS
• RS-232
• 512 kByte RAM
• Galvanikusan leválasztott
31
Laboratóriumi tápegység
TÁMOP-4.2.2/B-10/1-2010-0012 projekt
Zajjal segített gázérzékelés
• Hagyományos mérés: szenzor ellenállása
• Korlátozott szelektivitás → több szenzor
• Ellenállás fluktuációja: információ forrása Függ:
– szenzor anyaga – hőmérséklet
– gáz típusa és koncentrációja
• Kérdés: elegendő-e egy szenzor a gáz
típusának és koncentrációjának méréséhez?
33
Zajjal segített gázérzékelés
TÁMOP-4.2.2/B-10/1-2010-0012 projekt
Mérőrendszer diagramja
35
Jel kondicionálás és
adatgyűjtés
TÁMOP-4.2.2/B-10/1-2010-0012 projekt
Előerősítő elektronika
37
current Ref Sensor
S
R
R U
U
Tervezési szempontok
• Ellenállás-feszültség konverzió:
áramgenerátor
• Alacsony zajú referencia
• Alacsony zajú erősítők
– Feszültség-zaj
– Áram-zaj (nagy ellenállású szenzorok esetén)
• Árnyékolás
– Belső (nagy erősítés)
– Külső (50/60 Hz)
TÁMOP-4.2.2/B-10/1-2010-0012 projekt
Korábbi prototípus
39
Nyers mérési adatok
TÁMOP-4.2.2/B-10/1-2010-0012 projekt
Mért spektrumok
41
PCA analízis
TÁMOP-4.2.2/B-10/1-2010-0012 projekt
Minta eredmények különböző gázok
43
-4 -2 0 2 4 6
-2 -1 0 1 2
400 ppm CO 80 ppm NO 2000 ppm CH4
PC2 x 10
13PC1 x 10
13Különböző koncentrációk
-2 -1 0 1 2
25 ppm CO 50 ppm CO 100 ppm CO
PC2 x 10
12TÁMOP-4.2.2/B-10/1-2010-0012 projekt
Új műszer: FES 24
45
FES 24 - specifikáció
• 4 analóg bemenet, differenciális bemenetek
• 24 bit ADC
• RMS zaj < 2 ppm, effektív bitszám: 19,5
• Mintavételi ráta: <93 kHz
• Átviteli sebesség PC felé: 400 kByte/s
• 2 analóg kimenet
12 bit felbontás, 100 mA kimenő áram
• 8 digitális I/O
• Galvanikusan leválasztott
• Előerősítő panel két szenzor számára
TÁMOP-4.2.2/B-10/1-2010-0012 projekt
Alternatíva: univerzális műszerek
47
Alternatíva: moduláris
műszerek
TÁMOP-4.2.2/B-10/1-2010-0012 projekt
Összefoglalás
• Hardver tervezés
– Komoly tudást és gyakorlatot igényel
• Szoftver
– Beágyazott szoftver – PC szoftver
• Mérések megtervezése
– Mit mérünk
– Hogyan mérjük
– Mit kezdünk az adatokkal
49
