Разработка устройства для сбора и предобработки вибросигналов на базе микропроцессорного контроллера

Магистерская диссертация посвящена актуальной теме создания устройства для приема и обработки сигналов. В работе описаны основные этапы создания устройств приема вибросигналов на базе микропроцессорных платформ, проведена их экспериментальная апробация

Введение ……………………………………………………………………………………………………… 12
1. Устройства обработки цифровых сигналов в технических системах …………. 13
1.1. Обработка сигналов в технических приложениях……………………………….. 13
1.1.1 Измерительные системы ……………………………………………………………. 14
1.1.2 Системы вибрационного контроля и диагностики………………………. 16
1.1.3 Системы радиолокации ……………………………………………………………… 18
1.1.4 Системы обработки речи……………………………………………………………. 19
1.2 Алгоритмы цифровой обработки сигналов ………………………………………….. 20
1.2.1 Аналогово-цифровое преобразование ………………………………………… 21
1.2.2 Цифро-аналоговое преобразование ……………………………………………. 23
1.2.3 Дискретное преобразование Фурье…………………………………………….. 26
1.2.4 Быстрое преобразование Фурье …………………………………………………. 29
1.2.5 Корреляционный анализ ……………………………………………………………. 32
1.2.6 Алгоритм оценки времени запаздывания……………………………………. 34
1.3 Вычислительные устройства обработки сигналов………………………………… 37
1.3.1 Микропроцессоры общего назначения……………………………………….. 37
1.3.2 Графические процессоры …………………………………………………………… 38
1.3.3 Микроконтроллеры……………………………………………………………………. 40
1.3.4 Цифровые сигнальные процессоры ……………………………………………. 42
1.3.5 Одноплатные компьютеры ………………………………………………………… 45
1.4 Аппаратное обеспечение виброакустических измерений ……………………… 48
1.4.1 Измерение в системах реального времени ………………………………….. 48
1.4.2 Виброакустические измерительные преобразователи …………………. 49
1.4.3 Устройства ввода аналоговых сигналов ……………………………………… 51
1.4.4 Электронные устройства согласования ………………………………………. 51
2. Программно-аппаратное решение устройств …………………………………………….. 54
2.1 Структура программно-аппаратных решений………………………………………. 54
2.1.1 Функциональная схема программно-аппаратного решения ………… 54
2.1.2 Запись, хранение и передача вибросигналов ………………………………. 55
2.1.3 Программное обеспечение записи сигналов ……………………………….. 57
2.1.4 Алгоритмы и программы обработки сигналов ……………………………. 58
2.2 Реализация на базе платформы Arduino……………………………………………….. 59
2.2.1 Платформа Arduino Uno …………………………………………………………….. 59
2.2.2 Платформа Arduino Mega …………………………………………………………… 60
2.2.3 Плата расширения Music Shield VS1053b …………………………………… 61
2.2.4 Программное обеспечение …………………………………………………………. 64
2.3 Реализация на базе одноплатного компьютера Raspberry Pi …………………. 65
2.3.1 Особенности архитектуры компьютеров Raspberry Pi ………………… 65
2.3.2 Одноплатный компьютер Raspberry Pi B ……………………………………. 66
2.3.3 Звуковая карта Wolfson Audio ……………………………………………………. 67
2.3.4 Программное обеспечение …………………………………………………………. 68
2.4 Апробация созданных устройств ………………………………………………………… 69
2.4.1 Применение устройства на базе Arduino Mega……………………………. 69
2.4.2 Применение устройства на базе Raspberry Pi ……………………………… 71
2.4.3 Учебный стенд для оценки времени запаздывания …………………….. 77
3. Социальная ответственность ……………………………………………………………………. 79
4. Финансовый менеджмент, ресурсоэффективность и ресурсосбережение …… 88
Заключение ……………………………………………………………………………………………….. 104
Список публикаций студента ……………………………………………………………………… 105
Список использованных источников ………………………………………………………….. 107
Приложение А …………………………………………………………………………………………… 107

В работе предложено простое аппаратное решение для приёма, хранения
и передачи в цифровом виде вибросигналов на базе микроконтроллерной
платформы Arduino и на базе платформы Raspberry Pi B. Разработанное
решение предполагается для применения в качестве учебного стенда,
знакомящего студентов с принципами пассивной локации. Работоспособность
устройства подтверждена, в ходе экспериментальных исследований
определения локации объекта, являющегося источником сигнала.
В ходе работы исследованы области применения алгоритмов цифровой
обработки сигналов, описаны существующие вычислительные устройства
обработки сигналов и рассмотрено необходимое программно-аппаратное
обеспечение для осуществления виброаккустических измерений.
В ходе работы рассмотрены алгоритмы оценки времени запаздывания
прихода сигнала с помощью корреляционного и регрессионного способа,
выполнен сравнительный анализ результатов. Исходя из полученных
результатов можно сделать вывод о том, что корреляционный метод наиболее
эффективен при реализации алгоритма с зашумленными сигналами, однако
регрессионный метод менее требователен к вычислительным мощностям ввиду
упрощенного алгоритма.
В дальнейшем, в качестве универсального устройства ввода,
дискретизации, хранения и передачи данных, а также реализации
вычислительных алгоритмов будет использован одноплатный компьютера DSP
Raspberry Pi в комплектации с дисплеем и пультом управления, что позволит
выполнять визуализацию результатов на LCD дисплее, непосредственно
средствами портативного устройства.
Список публикаций студента

1. Марукян В. М. , Фаерман В. А. Разработка устройства для приема
вибросигналов на базе платформы Arduino // Современные проблемы
радиоэлектроники: сб. науч. тр. [Электронный ресурс] / науч. ред. А.И.
Громыко; отв. за вып. А.А. Левицкий. – Электрон. дан. (26 Мб). –
Красноярск: Сиб. федер. ун-т, 2018. C. 166–170.
2. Фаерман В. А. Применение фазочастотного анализа для повышения
достоверности локации утечек корреляционным методом / В. А. Фаерман, В.
М. Марукян // Молодежь и современные информационные технологии:
сборник трудов XV Международной научно-практической конференции
студентов, аспирантов и молодых учёных, 04-07 декабря 2017 г., г. Томск. —
Томск : Изд-во ТПУ, 2017. — [С. 59-60].
3. Фаерман В. А. , Марукян В. М. Постановка и исследование задачи
разработки программной части течепоискового комплекса // Научная сессия
ТУСУР-2017: материалы Международной научно-технической конференции
студентов, аспирантов и молодых ученых, посвященной 55-летию ТУСУРа.
В 8 частях, Томск, 10-12 Мая 2017. – Томск: В-Спектр, 2017 – Т. 4 – C. 23-25
4. Марукян В. М. , Фаерман В. А. Характеристики и особенности
корреляционных течепоисковых комплексов // Неразрушающий контроль:
электронное приборостроение, технологии, безопасность : сборник трудов
VI Всероссийской научно-практической конференции. В 3 т., Томск, 23-27
Мая 2016. – Томск: ТПУ, 2016 – Т. 1 – C. 206-210
5. Марукян В. М. , Фаерман В. А. Экспериментальная оценка точности
локации течей прототипом корреляционно- акустического течепоискового
комплекса // Проблемы геологии и освоения недр: труды XX
Международного симпозиума имени академика М.А. Усова студентов и
молодых ученых, посвященного 120-летию со дня основания Томского
политехнического университета, Томск, 4-8 Апреля 2016. – Томск: Изд-во
ТПУ, 2016 – Т. 2 – C. 932-933
6. Марукян В. М. , Фаерман В. А. Частотно-временной корреляционный анализ
периодических последовательностей импульсов // Молодежь и современные
информационные технологии: сборник трудов XIII Международной научно-
практической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых,
Томск, 9-13 Ноября 2015. – Томск: ТПУ, 2016 – Т. 1 – C. 172-173
7. Фаерман В. А. , Марукян В. М. Генерация периодических сигналов с
заданной локализацией спектра в ППП Mathcad // Технологии Microsoft в
теории и практике программирования: сборник трудов XII Всероссийской
научно-практической конференции студентов, аспирантов и молодых
ученых, Томск, 25-26 Марта 2015. – Томск: ТПУ, 2015 – C. 28-29

1.Бранцевич П.Ю., Костюк С.Ф., Базылев Е.Н., Базаревский В.Э. Методика
применения программных средств обработки вибросигналов при оценке
технического состояния механизмов и агрегатов // Прикладные проблемы
оптики,информатики,радиофизикиифизикиконденсированного
состояния.– 2013 г. – Минск. – С. 102-103
2.Айфичер Э.C., Джервис Б.У. Цифровая обработка сигналов: практический
подход, 2-е издание. : Пер. с англ. – М.: Издательский дом «Вильямс»,
2004. – 992 с.
3.Крюков В.В. Информационно-измерительные системы. Учебное пособие.
– Владивосток: ВГУЭС, 2000. – 102 c
4.Научно-техническое руководства по цифровой обработке сигналов
[Электронный ресурс] // Научно-технический центр по электронным
компонентамАВТЭКС.Режимдоступа:
http://www.autex.spb.su/download/dsp/dsp_guide/ch01.pdf, свободный (посл.
обращение 16.05.18);
5.Оппенгейм Аллан В. (ред.). Применение цифровой обработки сигналов.
М.: Мир, 1980. – 552 с.
6.Системы вибрационного контроля и диагностики, [Электронный ресурс] //
Информационныйсайт«СуммаТехнологий».Режимдоступа:
http://www.summatechnology.ru/solutions/sistemy-vibratsionnogo-kontrolya-i-
diagnostiki/, свободный (посл. обращение 18.05.18);
7.Информационно-измерительная техника и технологии / В. И. Калашников,
С.В. Нефедов, А.Б. Путилин и др.; под ред. Г.Г. Ранеева. — М. Высшая
школа, 2002. — 454 с.
8.Ключев А.О., Ковязина Д.Р., Петров Е.В., Платунов А.Е. Интерфейсы
периферийных устройств. – СПб.: СПбГУ ИТМО, 2010. – 290 с.
9.Матвеев Ю.Н., Симончик К.К., Тропченко А.Ю., Хитров М.В. Цифровая
обработка сигналов Учебное пособие по дисциплине “Цифровая обработка
сигналов”. – СПб: СПбНИУ ИТМО, 2013. – 166 с.
10. Мячин М. Л. Цифровая обработка сигналов. Курс лекций для студентов
специальности «Прикладная математика»– на правах рукописи,
Ярославский государственный университет, 1996 – 2004.
11. Ричард Лайонс Цифровая обработка сигналов. — 2-е. — М: Бином-Пресс,
2006. — 656 с.
12. Куприянов М. C. Матюшкин Б. Д. Цифровая обработка сигналов. — 2-е. —
СПб: Политехника, 2000. — 592 с.
13. Сергиенко А. Б. Цифровая обработка сигналов. — 2-е. — СПб: Питер,
2006. — с. 751
14. Микропроцессорные средства и системы: курс лекций / Под ред. Ю. В.
Савченко. — М.: МИЭТ, 2013. — 288 с.: ил.
15. Солонина, А. И. Алгоритмы и процессоры цифровой обработки сигналов [
Текст]/ А . И . Солонина, Д . А . Улахович, Л . А . Яковлев. СПб.: БХВ-
Петербург, 2001.
16. Лучкин А.В. Архитектура микропроцессора — Структура и общая
характеристика//Молодежныйнаучныйфорум:Техническиеи
математические науки: электр. сб. ст. по мат. XIX междунар. студ. науч.-
практ.конф.№12(19).Режимдоступа:
https://nauchforum.ru/archive/MNF_tech/12(19).pdf,свободный(посл.
обращение: 24.05.2018)
17. Глинченко, А. С. Цифровая обработка сигналов. Версия 1.0 [Электронный
ресурс] : курс лекций / А. С. Глинченко. – Электрон. дан. (3 Мб). –
Красноярск: ИПК СФУ, 2008
18. Kavitha Jain – System-on-Chip vs Single-Board Computer: A Comparison
Guide[Электронныйресурс]//Режимдоступа:
https://www.semiconductorstore.com/blog/2015/System-on-Chip-vs-Single-
Board-Computer-A-Comparison-Guide/689, свободный (посл. обращение
18.05.18);
19. Романов О.В. Что выбрать — одноплатный компьютер или процессорный
модуль с ARM или х86 процессором? // Приложение к журналу Control
Engineering Россия IIoT Апрель 2017.
20. Mayank Prasad. Introduction to Single Board Computing [Электронный
ресурс] // Режим доступа: http://maxembedded.com/2013/07/introduction-to-
single-board-computing/, свободный (посл. обращение 18.05.18);
21. Andrew K. Dennis. Raspberry Pi Home Automation with Arduino, Birmingham
– Mumbai, Packt Publishing, 2013
22. Климентьев К.Е. Системы реального времени: обзорный курс лекций/ К.Е.
Климентьев. – Самара: Самар. гос. аэрокосм. ун-т. Самара, 2008. – 45 с.
23. Никифоров В. В., Гуцалов Н. В. Методы измерения реактивности систем
реального времени // Программные продукты и системы. 2001. №4. Режим
доступа:https://cyberleninka.ru/article/n/metody-izmereniya-reaktivnosti-
sistem-realnogo-vremeni, свободный (посл. обращения: 26.05.2018).
24. Бобков П. Согласование логических уровней.[Электронный ресурс] //
Информационныйсайт«Chipenable».Режимдоступа:
http://chipenable.ru/index.php/how-connection/item/91-soglasovanie-
logicheskih-urovney.html, свободный (посл. обращение 18.05.18);
25. Преобразователи уровня логических сигналов, часть 1. Однонаправленная
передача. [Электронный ресурс] // Блог им. Catethysis. Режим доступа:
http://catethysis.ru/logic-level-converters-1/, свободный (посл. обращение
18.05.18);
26. Василевский Э. Что такое графический процессор и как он работает.
[Электронный ресурс] // Информационный сайт «AndroidInsider.ru». Режим
доступа:https://androidinsider.ru/polezno-znat/chto-takoe-graficheskiy-
protsessor-i-kak-on-rabotaet.html, свободный (посл. обращение 20.05.18);
27. Дж. Ли, Б. Уэр. Трёхмерная графика и анимация. — 2-е изд. — М.:
Вильямс, 2002. — 640 с.
28. Богачев К.Ю. Архитектура процессоров — МГУ им. Ломоносова, 1999. —
127 c.
29. Учебник по информатике (курс лекций) [Электронный ресурс] // Учебно-
методический центр кафедры информационных технологий. Режим
доступа:http://dit.isuct.ru/IVT/sitanov/Literatura/InformLes_3.html,
свободный (посл. обращение 20.05.18)
30. Микроконтроллеры:краткийобзор.[Электронныйресурс]//
Информационныйсайт«Мойробот».Режимдоступа:
https://myrobot.ru/stepbystep/mc_meet.php, свободный (посл. обращение
26.05.18).
31. Каневский И.Н. Неразрушающие методы контроля: учеб. пособие / И. Н.
Каневский, Е. Н. Сальникова. – Владивосток: Изд-во ДВГТУ, 2007 – 243 с.
32. Трофимов В.Б., Кулаков С.М. Интеллектуальные автоматизированные
системы управления технологическими объектами. – Вологда: Инфра-
инженерия, 2016. – 232 с.
33. Arduino Mega. [Электронный ресурс] // Сайт компании-дистрибьютора
ООО «Амперка». – Режим доступа: http://amperka.ru/product/arduino-mega-
2560, свободный (посл. обращение 21.02.2018 г.);
34. Datasheet VS1053b (VLSI Solution Oy) // Информационный сайт компании
производителяSeeedStudio.Режимдоступа:
http://wiki.seeedstudio.com/images/9/9a/VS1053.pdf(посл.обращение
26.02.18).
35. Костюков В.Н., Науменко А.П. Основы виброакустической диагностики и
мониторинга машин: учебное пособие. – 2-ое изд. – Новосибирск: Изд-во
СО РАН, 2014. – 378 с.
36. Овчинников А.Л., Лапшин Б.М., Чекалин А.С., Евсиков А.С. Опыт
применениятечеискателяТАК-2005вгородскомтрубопроводном
хозяйстве // Известия Томского политехнического университета, 2008. -т.
312 -№ 2 – с. 196-202.
37. Приложение к свидетельству об утверждении типа средств измерения.
Описание типа средства измерений. Преобразователи пьезоэлектрические
виброизмерительные ДН-4-М1. – № 35011-07 в Госреестре средств
измерения; дата регистр. 25.02.2007. – 3 с.
38. Совместная работа утилит [Электронный ресурс] / Arduino and Visual
Studio.–Режимдоступа:http://www.visualmicro.com/page/User-
Guide.aspx?doc=ru/How-The-Tools-Play-Together.html,свободный(посл.
обращение: 23.05.2018 г.)
39. Установка операционной системы на Raspberry Pi, [Электронный ресурс] //
Информационныйсайт«ВсеобАрдуино».Режимдоступа:
https://arduinomaster.ru/raspberry-pi/operatsionnye-sistemy-raspberry-pi/,
свободный (посл. обращение 22.05.2018 г.).
40. Виды сигналов: аналоговый, цифровой, дискретный. [Электронный ресурс]
//«ФБ.ру».Режимдоступа:http://fb.ru/article/282258/vidyi-signalov-
analogovyiy-tsifrovoy-diskretnyiy, свободный (посл. обращение 21.05.2018
г.).
41. Петин В. А. Проекты с использованием контроллера Arduino. — СПб.:
БХВ-Петербург, 2014. — 400 с.: ил.
42. Кречетов А. Д. Оценка параметров сигнала: Учеб. пособие / ЛЭТИ
(ЛИАП). Л., 1980.
43. Барков А.В., Баркова Н.А., Грищенко Д.В. Идентификация состояния
механизмов с узлами вращения Методика МВ.03.7826741252./23.12.2011
НОУ «Северо-западный учебный центр» Санкт-Петербург 2011, 80 с.
44. Устройства ввода/вывода [Электронный ресурс] // Энциклопедия АСУ ТП.
Режим доступа: http://www.bookasutp.ru/Chapter6_3.aspx, свободный (посл.
обращение 29.05.2018 г.).
45. ГОСТ Р 51841-2001 Программируемые контроллеры. Общие технические
требования и методы испытаний.
46. Лепеш, Г.В. Современные методы и средства диагностики оборудования
инженерных систем зданий и сооружений/Г.В. Лепеш // Технико-
технологические проблемы сервиса. -2015. – № 4(34) – С. 3 – 8.