Методика разработки программного обеспечения для системной платы интегрального анемометра

Обычные типы анемометров, применяемые на шахтах, позволяют измерять скорость потока воздуха в данной точке пространства, при этом информацию о скорости и расходе воздуха в данном сечении выработки можно получить лишь приблизительно, так как неизвестна форма эпюры скоростей в данном сечении. Однако, возможно и более точное измерение средней по сечению скорости и расхода, однако для этого необходимо вручную обойти все сечение выработки (Рис. 1) , а затем обработать полученные данные при помощи одной из методик, предназначенных для такого рода измерений [1] . Недостаток такого метода очевиден – большие объемы ручного труда и малая производительность, а также отсутствие возможности автоматизировать данный процесс.

Рис. 1. Схемы измерений средней по сечению скорости движения воздуха: а – путем обвода датчиком поперечного сечения выработки;

б – точечным методом по секциям поперечного сечения выработки.

Для решения данной проблемы предлагается новый тип анемометра – интегральный акустический анемометр. Его принцип основан на прозву-чивании всего сечения выработки под углом 45 градусов (Рис. 2), что позволяет извлечь информацию о среднем по сечению расходе и скорости в выработке. Данный прибор идеально подходит для автоматизированного измерения и мониторинга, так как участие человека не требуется в течение всего процесса измерений.

Реализация данного прибора требует достаточно сложной обработки сигнала, которую достаточно сложно реализовать в аналоговом виде. Кроме того, прибор, основанный на аналоговой обработке сигнала, получается громоздким и сложным в изготовлении и настойке. Поэтому для реализации прибора применяется цифровая обработки сигнала, осуществляемая процессором архитектуры ARM. Принимаемый акустический сигнал может иметь очень малую амплитуду, что негативно сказывается на соотношении сигнал/шум и на точности измерения в целом. Чтобы избежать этого, аналого-цифровое преобразование сигнала осуществляется в непосредственной близости от преобразователя. Таким образом, прибор состоит из трех цифровых блоков – одного центрального и двух выносных. Структура и принцип работы прибора показаны на Рис. 2.

Рис. 2 Иллюстрация принципа работы интегрального акустического анемометра.

В данной статье рассказывается о реализации центрального блока анемометра. Блок схема данного блока показана на

Рис. 3 . В качестве центрально процессора данного блока был выбран процессор архитектуры ARM STR912FW44X6. Данный процессор имеет следующие возможности:

• •    32 разрядная ARM архитектура;

• •    высокая производительность (до 96 MIPS);

• •    набор DSP инструкций;

• •    512 Кбайт встроенная флешь память;

• •    96 Кбайт быстрой статической памяти;

• •    ethernet контроллер.

Данный набор возможностей позволяет решить все задачи, связанные с реализацией центрального блока анемометра.

Основную сложность в реализации данного блока прибора представляет собой разработка программного обеспечения, так как в приборе присутствует большое количество современных интерфейсов, программирование которых представляет собой достаточно сложную задачу. Помимо этого, есть и другие требования к ПО:

• •    модульная архитектура;

• •    наличие драйверов для интерфейсов;

• •    небольшой объем требуемой памяти;

• •    аппаратная независимость и переносимость на другие платформы;

• •    удобная отладка и трассировка;

• •    поддержка файловой системы.

Реализация данных требований достаточно затруднительна без применения операционной системы. В результате сравнительного анализа операционных систем, поддерживаемых данным типом процессоров, было выявлено, что наиболее подходящей для данной задачи является свободно распространяемая операционная система FreeRTOS. Данная операционная система имеет следующие преимущества:

• •    официальная поддержка 23 архитектур;

• •    большая часть кода написана на C;

• •    простая, маленькая и легкая в использовании, обычный бинарный образ ядра по объему варьируется от 4Кбайт до 9Кбайт;

• •    функции отладки на уровне ядра;

• •    свободное и бесплатное распространение;

• •    отсутствие ограничений на количество задач и приоритетов;

• •    бесплатные библиотеки для работы с Ethernet, USB, TCP/IP;

• •    поддержка файловой системы FAT.

Применение описанных в статье решений позволяет решить задачу разработки интегрального анемометра наиболее эффективным способом, сделает его простым и технологичным в серийном производстве.

Рис. 3 Блок-схема центрального блока интегрального акустического анемометра.