АВТОМАТИЗИРОВАННАЯ СИСТЕМА ДЛЯ СБОРА И АНАЛИЗА ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ДАННЫХ

Квочкин Д.О. ¹, Устюгов В.А. ², Кузнецов К.П.³

¹Магистр, Сыктывкарский государственный университет; ²магистр, Сыктывкарский государственный университет ³студент, университет Саарланда,

АВТОМАТИЗИРОВАННАЯ СИСТЕМА ДЛЯ СБОРА И АНАЛИЗА ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ДАННЫХ

Аннотация

В статье описывается метод построения программно-аппаратной платформы для автоматизации эксперимента и системы сбора данных. Освещается внедрение модификации пропорционально-интегрально-дифференциального (ПИД) алгоритма в программную составляющую системы. Результаты могут быть использованы для построения многофункционального и масштабируемого устройства с целью последующей модернизации устаревших экспериментальных установок.

Ключевые слова: автоматизация, система сбора данных, ПИД-регулятор

Kvochkin D.O.¹, Ustyugov V.A.², Kuznetsov K.P³

¹ Student, Syktyvkar state university; ² student, Syktyvkar state university; ³student, Saarland University

AUTOMATED SYSTEM FOR COLLECTING AND ANALYSIS OF EXPERIMENTAL DATA

Abstract

In this paper a method for constructing software and hardware platform for the automation of the experiment and the data acquisition system is described. The usage of modified proportional-integral-derivative (PID) algorithm in the software component of the system is discussed. The results can be used to construct multi-functional and scalable device for the purpose of modernizing the obsolete experimental equipment.

Keywords: automation, data acquisition system, PID-regulator

Автоматизация эксперимента и технологических процессов является значимой проблемой современной лаборатории. Актуальным является поиск инженерных решений, основанных на стабильных и быстродействующих алгоритмах управления и регулирования, реализованных на бюджетных аппаратных и программных средствах.

Нами была разработана открытая система автоматического управления (САУ). Открытость системы означает её расширяемость, масштабируемость и простая переносимость с решения одной задачи на другую. В результате работы была создана программно-аппаратная платформа для управления физическим экспериментом. Система комплектуется аппаратными компонентами (плата сбора данных с интегрированным интерфейсом USB, плата сопряжения с мощной нагрузкой, интерфейсные платы сопряжения с датчиками), а так же программным обеспечением (управляющая программа контроллера платы сбора данных, клиентское программное обеспечение для ПК).

Аппаратная часть комплекса представляет собой плату сбора данных на базе микроконтроллера ATmega8A. Данный контроллер оснащён рядом периферийных компонентов. В частности, для подключения цифровых датчиков и/или других контроллеров могут быть задействованы цифровые порты по «чистому» или стандартизированному интерфейсу (USART, SPI, TWI), аналоговые входы компаратора или АЦП микроконтроллера. Для выдачи команд при автоматическом управлении экспериментом со стороны устройства могут быть задействованы цифровые выходы микроконтроллера, а также каналы широтно-импульсного модулятора через плату сопряжения с мощной нагрузкой при аналоговом регулировании.

Для построения программного обеспечения микроконтроллера был выбран алгоритм дискретного пропорционально-интегрального (ПИ) регулятора. Выбор был сделан, основываясь на простоте реализации и настройки при достаточно хорошей стабильности и быстродействии алгоритма. В отличие от классического ПИД-регулятора, где в расчёт величины воздействия на систему учитывается также  производная невязки по времени [1], в своей реализации САУ было решено отказаться от дифференциальной составляющей. Это позволило снизить сложность алгоритма управляющей программы микроконтроллера и оптимизировать расчёт управляющего воздействия на систему. Также ввиду сильного воздействия шумов на дифференциальную составляющую регулятора, ПИ-алгоритм позволяет избежать усиления этих шумов в управляющем воздействии, что добавляет устойчивости данной САУ. Механизм ПИ-регулятора внедрён в ATmega8A с использованием языка Си.

Подключение к персональному компьютеру происходит по интерфейсу USB 1.0. В программной реализации USB для микроконтроллера использована свободная версия библиотеки V-USB фирмы Objective Development [2]. Применение свободной библиотеки libusb позволяет разрабатывать кроссплатформенные  приложения для персонального компьютера для работы с аппаратной частью.

Клиентская часть для ПК написана на языке Python 2.7 с использованием свободных версий библиотек PyQt (для разработки пользовательского интерфейса) и matplotlib (для изображения графиков измеряемых величин). Программа имеет интуитивно понятный интерфейс и может быть легко расширена с помощью доступных свободных инструментов разработки.