Обозначения и сокращения
ГПО - групповое проектное обучение.
ОЭЧ - оптоэлектронная часть.
ЦПУ - центральное процессорное устройство.
ПЗУ - постоянное запоминающее устройство.
БИ - блок интерфейсов.
БП - блок питания.
ПО - программное обеспечение.
ФГУП «ВНИРО» - Федерального Государственного Унитарного Предприятия «Всероссийский научно-исследовательский институт рыбного хозяйства и океанографии».
ОКР - опытно - конструкторская работа.
ФЦП - федеральная целевая программа.
Введение
Выполнение ОКР «Разработка измерителя планктона и системы контроля параметров трала для научно-исследовательских судов» Шифр «Планктономер» по заказу с официального сайта Российской Федерации для размещения информации о размещении заказов взяла на себя команда разработчиков. В августе 2012 года ОКР были завершены, но в ходе испытаний был выявлен факт, того что в структурной схеме состава элементов фотоприемного блока устройства присутствуют недоработки. Титановый корпус блока значительно нагревался за час работы устройства. В настоящее время найдены решения, которые уже удачно реализованы на практике.
Цель семестровой работы в том, чтобы приобрести навыки самостоятельной работы по моделированию процессов в устройствах для выявления недочетов до испытаний и введения установок в эксплуатацию. Задачами обозначим:
Моделирование различных процессов в установке «Планктономер»;
Самостоятельное выявление проблемной ситуации, возникшей на испытаниях, с помощью моделирования процессов в произвольной сапр;
Подборка возможных решений;
Утверждение наилучшего решения.
Описание научно - исследовательского глубоководного аппарата anglerfish-s100 ("Планктономер")
Погружаемое устройство "Планктономер" предназначено для сбора информации об исследуемом планктоне, ее предварительной обработки, сохранения в устройстве записи информации и/или передачи данных на основное зондирующее устройство или непосредственно на персональный компьютер. Предполагается возможность работы Планктономера в режиме буя, в режиме буксировки, вертикального зондирования, и/или в составе судовой проточной измерительной системы.
Обобщённая структурная схема, выбранные технологические решения и описание режимов работы Планктономера
Основными структурными элементами измерительной ОЭЧ являются: лазер, камера, ЦПУ, ПЗУ, БИ, БП. На рисунке 1 представлена обобщённая структурная схема измерительной ОЭЧ Планктономера.
Рисунок 1 - Обобщенная структурная схема ОЭЧ Планктономера
Лазер. Представляет собой источник когерентного излучения в оптическом диапазоне. Предназначен для просвечивания измеряемого объема среды с планктоном и создания на светочувствительной матрице камеры распределения интенсивности, соответствующего теневой интерференционной картине волн, рассеянных планктонными частицами и волн, прошедших без рассеяния.
Камера. Монохромная камера, выполненная на базе ССD либо CMOS светочувствительной матрицы. Регистрирует и передаёт в ЦПУ распределение интенсивности, полученное после просвечивания измеряемого объема среды с планктоном лазерным пучком. Распределение интенсивности в каждом кадре может рассматриваться и использоваться как для определения доли сечения пучка, перекрытого планктоном (то есть для оценки количества планктона), так и в качестве осевой цифровой голограммы объема воды, содержащего планктон. Данные с камеры поступают в ЦПУ в необработанном монохромном свето-цветовом режиме Mono8 (256 градаций серого на пиксель).
ЦПУ. Основное вычислительное устройство ОЭЧ. ЦПУ выполняет функции управления режимами работы ОЭЧ, синхронизации работы лазера и камеры, а также осуществляет первичную обработку кадров, поступающих с камеры в режиме реального времени. В последующих модификациях внутреннего ПО устройства предполагается осуществление при помощи ЦПУ в режиме реального времени Фурье-преобразования распределений интенсивности, поступающих с камеры.
ПЗУ. В ПЗУ записываются результаты произведённых измерений, инициализационные данные Планктономера, его история перемещений (навигационный трек), а также история состояний ОЭЧ. ПЗУ должно иметь достаточный объем для записи результатов измерений, произведённых в течение не менее чем одного часа в режиме счётчика и не менее 50 сессий в режиме съёмки голограмм.
БИ. Обеспечивает коммутацию и электрическую совместимость внутренних интерфейсов с внешними информационными и электрическими интерфейсами различных погружаемых аппаратов.
БП. Обеспечивает электропитание всех узлов и блоков Планктономера. Должен обеспечивать стабильность питающих напряжений блоков и узлов во всех режимах потребления.
Камера и лазер синхронизируются посредством ЦПУ. Необработанные видеоданные с камеры поступают в ЦПУ посредством интерфейса Gigabit Ethernet (рисунок 1). Использование такого высокоскоростного интерфейса обмена данными обеспечивает высокую пропускную способность канала связи «камера –ЦПУ», что, в свою очередь, позволяет использовать камеру в режиме максимальной скорости съёмки.
Конструктивно, ОЭЧ Планктономера размещается в двух герметичных контейнерах, связанных через сквозной канал в общем основании. Один из контейнеров содержит модуль лазерного излучателя, источник питания в виде двух сборок АКБ и плату генератора импульсов лазерного излучателя. В другом размещены модуль фотоприемника (три платы, на которых размещены остальные функциональные узлы).
Кратко охарактеризуем основные составляющие ОЭЧ по отдельности.
Излучающий модуль генерирует импульсное лазерное излучение в виде параллельного пучка лучей для проецирования тени освещаемой частицы планктона на фотоприемник. Модуль состоит из излучателя и коллимирующего объектива «Юпитер-8».
В качестве излучателя используется полупроводниковый лазер типа HLDPM12-655-5 (Китай). Он излучает на длине волны 653 нм с частотой импульсов 1 Кгц. Важными особенностями этого лазера является возможность регулировки мощности излучения и то, что его излучающая площадка имеет форму прямоугольника с малоотличающимися размерами сторон, а также его способность работать как в непрерывном, так и в импульсном режимах. Тело свечения лазера располагается в фокальной плоскости коллимирующего объектива.
Фокусное расстояние объектива составляет 50 мм, рабочий отрезок 28,8 мм, относительное отверстие 1:2. Максимальный размер сечения параллельного светового потока лимитируется диаметром выходного зрачка объектива (в данном случае 22,5 мм), а форма сечения пучка близка к форме тела свечения. Затем идет иллюминатор герметичного контейнера.
Фотоприемный модуль предназначен для преобразования размеров тени частицы в соответствующий электрический сигнал, а также для регистрации распределения интенсивности в кадре (записи цифровой голограммы), и состоит из оптической системы и фотоприемника.
Оптическая система состоит из иллюминаторов, обрезающего светофильтра из стекла КС 13 для ликвидации паразитной засветки в видимой области светового спектра.
В качестве фотоприемника используется камера SVCam-EVO 8050XFLGEA67 3320х2496 пикселей, размер матрицы 18,260х13,728 мм (диагональ 22,66 мм), пиксель 5,5х5,5 мкм, 14 бит, минимальная экспозиция - 6мкс, максимальная частота срабатывания камеры для этой модели составляет 21 кадр в секунду в режиме цветности Mono8. Напряжение питания 12 В.
Центральный процессор выполняет функции управления режимами работы ОЭЧ Планктономера, синхронизации работы лазера и камеры, а также осуществляет первичную обработку распределения интенсивностей, поступающих с камеры в режиме реального времени. В последующих модификациях внутреннего программного обеспечения Планктономера предполагается проведение в режиме реального времени Фурье-преобразования данных, поступающих с камеры. Для реализации этих функций, а также в целях обеспечения задела на будущее по расширению функционала изделия, в качестве ЦПУ использован высокопроизводительный цифровой сигнальный процессор (Digital Signal Processor, DSP) со встроенными аппаратными математическими сопроцессорами TMS320C6670 компании «Texas Instruments». Основными достоинствами TMS320C6670 являются наличие 4-х вычислительных ядер, работающих с тактовой частотой до 1200 ГГц, расширенная линейка аппаратных ускорителей в частности наличие трех БПФ-сопроцессоров, а также четырех Вейвлет-сопроцессоров, оптимальное количество операций умножения с накоплением в секунду (MMACS) -153000, поддержка интерфейса ОЗУ - DDR3.
Таким образом, блок центрального процессора выполнен в виде вычислительной платы TMDXEVM6670L, в основе которой лежит процессор TMS320C6670. Питание 12 В /3.0 A от внешнего источника, либо посредством интерфейса AMC. Данная плата имеет размеры 7.11’’x2.89’’ (180.6 мм х 73.5 мм).
Рис.2 - плата ЦПУ (TMDXEVM6670L)