Учебное пособие 800405

ности разработан комплекс методов и способов испытаний различных деталей, сборочных единиц и изделий в целом.

В целях повышения качества изделий предприятия постоянно увеличивают объемы операций контроля и численность контролирующего персонала. Важным средством решения этой проблемы является применение объективных физических методов неразрушающего контроля (НК). Неразрушающий контроль обеспечивает качество функционирования, надежность и безопасность эксплуатации огромного числа самых разнообразных технических объектов. При этом эффективность применения НК обусловливается как уровнем развития дефектоскопической аппаратуры, так и квалификацией специалистов НК. Применение НК в различных областях народного хозяйства дает значительный технический и экономический эффект. Использование его в эксплуатации позволяет обеспечить высокую надежность и долговечность машин, а также безопасность движения на транспорте.

Контроль качества продукции заключается в проверке соответствия показателей ее качества установленным требованиям ГОСТ или другой нормативно-технической документации (НТД). Важными критериями высокого качества деталей машин являются физические, геометрические и функциональные показатели, а также технологические признаки качества, например, отсутствие недопустимых дефектов типа нарушения сплошности материала, соответствие физико-механических свойств и структуры основного материала и покрытия, геометрических размеров и чистоты обработки поверхности требуемым технической документацией и др .

Большие объемы проведения работ по выявлению дефектов и катастрофические последствия, которые могут быть причиной некачественного проведения контроля, ставят задачу по индустриализации применения методов НК с использованием математических моделей, методов и современных информационных технологий для организации мониторинга при эксплуатации технических систем.

Технические средства НК включают в себя аппаратную часть, программное обеспечение и эксплуатационнотехническую документацию. К сожалению, разработкам необходимой технологической документации, методикам, исследо-

121

ванию оптимальных процедур НК уделяется недостаточное внимание.

Можно утверждать, что нет ни одного безошибочного метода контроля. Могут встречаться непредвиденные условия эксплуатации, поэтому диагностические технологии должны быть «избыточными» в отношении применения комплекса различных по физической сути методов НК, которые дополняли бы друг друга для обеспечения максимальной гарантии качества изделия.

Технология должна предусматривать спектр различных конструкций контрольно-диагностических приборов – от ручного до автоматизированного исполнения при рациональном сочетании их применения в процессе производства, испытаний и эксплуатации объектов. Она должна иметь библиотеку алгоритмов и программ диагностирования, выполненных применительно к конкретным изделиям, операциям и задачам обнаружения дефектов.

Самый важный момент – принятие решения о несоответствии изделия предъявляемым требованиям и прекращении его эксплуатации или функционирования – должен быть особо отмечен и научно обоснован в технологии. Основой этого решения является предварительно набранный статистический материал.

Диагностические технологии необходимо предварительно опробовать, они не могут содержать неразумных требований в виде «не допускаются никакие виды дефектов», должны надежно распознавать предаварийную ситуацию, никаким образом не допускать аварийной эксплуатации изделий. Главным становится не вычисление размеров дефектов (дефектометрия), а определение остаточного ресурса объекта контроля, степени риска его эксплуатации, создание соответствующих методик и стандартов по определению остаточного ресурса объектов.

Должен быть осуществлен переход от диагностики к эксплуатации по состоянию объектов, созданию и внедрению отраслевых систем диагностического обслуживания, оперативное устранение вскрытых дефектов и поддержание технического состояния объекта на должном уровне.

Воронежский государственный технический университет

122

УДК 621.9

М.А. Исаенко, Л.Н. Никитин

ЧАСТОТОМЕР НА МИКРОКОНТРОЛЛЕРЕ

Рассмотрено описание работы частотомера и выбор элементной базы

Микроконтроллеры представляют собой эффективное средство реализации разнообразных устройств. Использование микроконтроллеров не только приводит к повышению техникоэкономических показателей (стоимости, надежности, потребляемой мощности, габаритных размеров), но и позволяет сократить время разработки изделий и делает их модифицируемыми, адаптивными

В радиолюбительской практике наиболее распространены два способа измерения частоты с помощью микроконтроллеров. В первом способе выбирают фиксированный интервал времени и подсчитывают число колебаний входного сигнала в течение этого интервала. Именно этот способ используется в предлагаемом устройстве. Подсчитав число периодов входного сигнала за известное время (100 мс, 1 с или 10 с), он приводит его к секундному интервалу и показывает на индикаторе значение частоты в герцах или кратных им единицам. Второй способ заключается в измерении интервала времени между приходом нескольких импульсов входного сигнала, число которых обычно кратно десяти. Этот способ можно применять только в случае сигналов низкой частоты. Структурная схема частотомера приведена на рисунке.

123

Структурная схема частотомера

Частотомер построен на микроконтроллере фирмы «Atmel» модели ATmega8515-16PI. Восьмиразрядные RISC-

микроконтроллеры AVR являются одними из самых быстрых микроконтроллеров в мире. Одной из причин, обуславливающей большое быстродействие, является использование двухуровневого конвейера. Поэтому они могут выполнять команды в каждом такте (в отличие от популярных микроконтроллеров PIC фирмы Microchip и других). Единственным недостатком, впрочем, весьма относительным, является меньшее распространение микроконтроллеров AVR по сравнению, например, с микроконтроллерами PIC фирмы Microchip.

Для надежной работы на входе счетчика должен быть установлен формирователь, превращающий исходный сигнал любой формы и амплитуды в последовательность нормированных по амплитуде импульсов с крутыми перепадами. Практически все остальные узлы, необходимые для измерения частоты и вывода результата на индикатор, имеется в микроконтроллере, что делает этот прибор весьма удобным для реализации на нем частотомера. Трудность состоит лишь в сравнительной низкочастотности счетчика, встроенного в микроконтроллер. Это вынуждает добавлять между выходом формирователя и входом микроконтроллера предварительный делитель частоты импульсов, понижающий ее до приемлемого значения (в 16 раз).

Частота на входе микроконтроллера должна быть в 2 раза меньше тактовой частоты микроконтроллера (тактовая частота

124

микроконтроллера равна 8 МГц). Однако чтобы гарантировать обнаружение фронтов внешнего сигнала, частота на входе микроконтроллера должна быть даже в 2,5 раз меньше тактовой частоты микроконтроллера. Так как предварительный делитель уменьшает частоту в 16 раз, то это позволяет измерять сигналы с частотой до 50 МГц.

Принцип измерения состоит в следующем. Сформированные импульсы поступают на вход предварительного делителя частоты (синхронного четырехразрядного двоичного счетчика с асинхронным сбросом). Частота импульсов на одном из выходов счетчика и на счетном входе микроконтроллера в 16 раз меньше исходной. В начале цикла измерения на вход разрешения счета счетчика подается низкий уровень и счет не производится. Кратковременным сигналом низкого уровня, сформированным на выходе микроконтроллера, счетчик устанавливается в нулевое состояние. Затем на время, зависящее от выбранного режима измерения (0,1 с, 1 с или 10 с) на вход разрешения счета подается высокий уровень. Двоичный счетчик производит подсчет импульсов. На счетный вход микроконтроллера поступают импульсы с одного из выходов двоичного счетчика, эти сигналы подсчитывает встроенный 16 битный счетчик микроконтроллера Т1. По истечении счетного интервала программа запрещает дальнейший счет и считывает состояние выходов внешнего счетчика. Далее она обрабатывает результаты работы предварительного двоичного и встроенного счетчиков, вычисляет значение частоты и выводит его на двустрочный символьный ЖКИ. Описанный цикл периодически повторяется. Также частотомер может запоминать текущее значение частоты и выводить его на дисплей в каждом следующем измерительном цикле.

Имеется возможность программной модернизации и модификации устройства. При написании программы использовались методы так называемого «безопасного программирования», то есть даже в результате какой-либо непредвиденной ошибки программа либо продолжит работу, исправив ошибку, либо сбросит микроконтроллер, в результате чего восстановится нормальное функционирование программы. Если же при написании программы не использовать методы «безопасного программирования», то в результате ошибки прибор может работать, но выдавать неверный результат. Работоспособность вос-

125

становится только при следующем включении частотомера. Устройство разработано, основываясь на аналогичном,

описанном в [4]. Схема устройства существенно изменена, исправлена ошибка формирования импульсов, подающихся на вход микроконтроллера. Дело в том, что синхронизация внешнего сигнала осуществляется с частотой тактового генератора (состояние вывода Т1 считывается по нарастающему фронту). Для обнаружения фронта внешнего сигнала необходимо, чтобы не частота была меньше допустимой, а длительность импульсов была больше периода тактового сигнала микроконтроллера, что более точно. Проще говоря, время удержания импульса на входе микроконтроллера должно быть больше периода тактового сигнала и тогда импульс будет зафиксирован. В частотомере, приведенном в [4], производится тоже деление частоты в 16 раз, но затем стоит дешифратор (видимо для полного использования логических элементов микросхемы), который при переполнении счетчика выдает импульс с длительностью такой же, как и до делителя, но частотой в 16 раз меньше. Поэтому частотомер на частотах уже выше 4 МГц работает не корректно (хотя заявлено 32 МГц). Данный недостаток исправлен в предлагаемом устройстве. Элементная база значительно изменена, например, вместо микросхемы счетчика с граничной частотой 32 МГц используется быстродействующая с граничной частотой 110 МГц. В частотомере, описанном в [4], имеется только один режим измерения (импульсы подсчитываются в течение 100 мс), для большей точности в разработанном приборе уже три режима измерения (импульсы подсчитываются в течение 100 мс, 1 с или 10 с). Программа была переписана заново, введена балластная задержка, благодаря которой на время измерения не оказывает влияние число прерываний по переполнению шестнадцатиразрядного таймера/счетчика, как это происходит в частотомере, описанном в [4], что избавляет от дополнительной погрешности. Основные технические характеристики приведены в таблице.

Таким образом, погрешность измерения практически зависит только от нестабильности кварцевого генератора. При применении температурной стабилизации эту погрешность можно свести к минимуму. Чувствительность и максимальная амплитуда входного сигнала является достаточными для большинства измерений. Что же касается верхней граничной часто-

126

ты, то её можно увеличить, используя внешний высокочастотный делитель. Применение высокочастотного делителя в составе данной конструкции не целесообразно, он должен быть выносным.

Основные технические характеристики

Исходя из вышеизложенного можно сделать заключение: во-первых, предлагаемое устройство просто схемотехнически, что позволяет собрать его в радиолюбительских условиях; во-вторых, частотомер собран на современной, но доступной и дешевой элементной базе, что позволяет использовать его в учебно-конструкторском процессе; в-третьих, исходя из основных технических характеристик можно сказать, что прибор кон-

127

курентоспособен по сравнению с частотомерами, изготовленными на предприятиях.

Литература

1.Мортон Джон. Микроконтроллеры AVR. Вводный курс /Пер. с англ. – М.: Издательский дом «Додека ХХI», 2006. – 272 с.

2.Евстифеев А.В. Микроконтроллеры AVR семейств Tiny и Mega фирмы ATMEL, 4-е изд., стер. – М.: Издательский дом «Додека ХХI», 2007. – 560 с.

3.Хлюпин Н. Частотомер – цифровая шкала с цифровым индикатором. – Радио, 2004, № 7. С. 64, 65.

4.Хливенко И. Частотомер с ЖК индикатором. - Радио, 2006. № 9. С. 32 - 34.

5.Web-сайт компании Atmel: www.atmel.com, www.atmel.ru.

Воронежский государственный технический университет

128

УДК 621.9

Л.Н. Никитин, Н.Н. Помигуев

АНАЛИЗАТОР ДОСТОВЕРНОСТИ АУДИОИНФОРМАЦИИ

В работе представлена структурная схема и краткое описание функционирования данного прибора. Уделено внимание микроколебаниям присутствующим в человеческой речи. Представлены некоторые формы сигнала снятые с определенных участков цепи устройства. Сфера использования и предложения по применению

В настоящее время для анализа различных видов информации с успехом используется радиоэлектронная аппаратура. Представленное нами ниже позволяет создать комплекс средств для анализа достоверности звуковых явлений. Кроме того, в настоящее время производить анализ достоверности информации требуется не только в специальных учреждениях, но даже в отделах кадров, в государственных и частных предприятиях. Как владельцу, директору фирмы проверить надежность сотрудника или порядочность партнера по бизнесу, не привлекая при этом лишнего внимания? В подавляющем большинстве жизненных ситуаций традиционный детектор лжи - полиграф применить невозможно. В основе его работы лежит одновременное измерение четырех важнейших физиологических характеристик давления крови, пульса, грудного и брюшного дыхания, а также кож- но-гальванической реакции. Но при возбуждении или волнении меняется также частотный диапазон звуков речи [1].

Анализатор звука. Естественно, речь в данном случае пойдет не о спектроанализаторе всего звукового диапазона, а об его упрощенной версии, используемой только для определенного узкого диапазона частот.

Основной частотный диапазон звуков человеческой речи заключен в пределах от 90 до 2000 Гц, и в обычных ситуациях этот звук промодулирован микро-

129

вибрациями частотой от 8 до 12 Гц. Последние, как правило, маскируются другими составляющими, однако, эти микровибрации могут быть выявлены электронным путем и измерены.

В соответствии с теорией, когда человек попадает в стрессовую ситуацию, микровибрации значительно уменьшаются. Нервная система подготавливает тело к действиям в опасной ситуации: зрачки расширяются, конечности усиленно снабжаются кровью, мышцы напрягаются. А поскольку голосовые связки состоят в основном из мышц, они также напрягаются, и упомянутые выше микровибрации (тремоло) вообще прекращаются, или же их амплитуда значительно уменьшается. Поэтому, если обнаруживается изменение микровибраций, можно считать, что человек находится в состоянии стресса. Но, как уже известно, состояние стресса не эквивалентно лжи! Посмотрим на спектральное разложение волны нормального человеческого голоса (слабый стресс), показанного на рис. 1 [2].

Рис. 1. Спектральное разложение волны нормального человеческого голоса

Структурная схема портативного звукового анализатора приведена на рис. 2, а форма сигнала в некоторых точках схемы на рис. 3.

130