Современные аппаратно-программные средства сбора и обработки экспериментальных данных

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 также 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. Его схема приведена на рис. 1.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.Рис. 1 – схема микроконтроллера ATmega8AДля 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 [3], 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 2.0. В программной реализации USB для микроконтроллера использована свободная версия библиотеки V-USB фирмы ObjectiveDevelopment [4]. Применение свободной библиотеки libusb позволяет разрабатывать кроссплатформенные приложения для персонального компьютера для работы с аппаратной частью.ЗАКЛЮЧЕНИЕСовременные аппаратно-программные средства сбора и обработки экспериментальных данныхвключают в себя широкий спектр технологий и устройств, таких как датчики, микроконтроллеры, высокоскоростные цифро-аналоговые преобразователи, программное обеспечение для анализа и визуализации данных, и т.д. Современные системы сбора данных обычно основаны на цифровых технологиях, что позволяет получать более точные и достоверные результаты, а также обеспечивает высокую скорость сбора и обработки информации. Такие средства широко используются в научных исследованиях, промышленности, медицине, технике, и других областях, где необходимо проводить эксперименты и анализировать полученные данные. Важной частью таких систем является программное обеспечение, предоставляющее удобный интерфейс для управления устройствами, анализа и визуализации данных.СПИСОКИСПОЛЬЗОВАННЫХИСТОЧНИКОВАвтоматизированные системынаучных исследований [Электронный ресурс] URL: http://miemp-mi-gor.narod.ru/utcheba/inform/posobie/7-3.pdf (дата обращения 09.12.2023 г.)Квочкин Д. О., Устюгов В. А., Кузнецов К. П. Автоматизированная система для сбора и анализа экспериментальных данных // МНИЖ. 2013. №6-1 (13). URL: https://cyberleninka.ru/article/n/avtomatizirovannaya-sistema-dlya-sbora-i-analiza-eksperimentalnyh-dannyh (дата обращения: 08.12.2023).Wescott T. PID without a PhD [Text] / Wescott T. // Embedded Systems Programming. - 2008. - October. - P. 86-108.Objective Development Software. V-USB - A Firmware-Only USB Driver for Atmel AVR Microcontrollers [Electronic resource]. 2013. URL: http://www.obdev.at/products/vusb/index.html.