РАЗРАБОТКА ПЛАНА МОДЕРНИЗАЦИИ РЕГИСТРАЦИОННО - ВЫЧИСЛИТЕЛЬНОГО КОМПЛЕКСА ОПЫТОВОГО БАССЕЙНА

DEVELOPMENT OF A DATA REGISTRATION AND COMPUTING COMPLEX OF THE EXPIREMENTAL POOL MODERNIZATION PLAN

Valeriy Isakov

Student, Information Systems Department, Siberian State University of Water Transport,

Russia, Novosibirsk

Ivan Grechko

Student, Information Systems Department, Siberian State University of Water Transport,

Russia, Novosibirsk

Sergey Motorin

Scinetific adviser, professor, Information Systems Department, Siberian State University of Water Transport,

Russia, Novosibirsk

АННОТАЦИЯ

Статья В. Исакова и И. Гречко посвящена актуальным техническим проблемам Комплекса Судовой Гидродинамики. Авторами было проведено обследование регистрационно-вычислительного комплекса (РВК) прямого опытового бассейна и изучены возможные методы решения выявленных проблем. В результате проведённой работы был разработан план модернизации РВК, выполнение которого значительно улучшит основные показатели системы.

ABSTRACT

The article by V. Isakov and I. Grechko is devoted to topical technical problems of the Marine Hydrodynamics Complex. The authors examined the registration-computing complex (RVC) of the direct experimental basin and studied possible methods for solving the identified problems. As a result of the work carried out, a plan for the modernization of RVC was developed, the implementation of which will significantly improve the main indicators of the system.

Ключевые слова: гидродинамика, водный транспорт, опытовый бассейн, модернизация ИС, разработка ПО, модернизация ИС, разработка аппаратного обеспечения, Arduino.

Keywords: hydrodynamics, water transport, experimental pool, IS modernization, software development, IS modernization, hardware development, Arduino.

Основу экспериментальной базы Комплекса Судовой Гидродинамики СГУВТ составляют прямой и циркуляционный опытовые бассейны, крупномасштабная самоходная модель грузового судна, крупномасштабная самоходная модель толкаемого состава, модельная мастерская.

Прямой опытовый бассейн, расположенный в лабораторном корпусе университета, введен в эксплуатацию в 1975 г. Он представляет собой бетонную чашу длиной 69 м, шириной 6,9 м и максимальной глубиной 3,4 м (глубина варьируется степенью наполнения бассейна). В нем смонтированы три независимые дорожки с четырехколесными несамоходными тележками и подвесными вертикально перемещаемыми гондолами. На гондолах размещены вертикальные пилоны той же конструкции и назначения, что в циркуляционном бассейне. Тележки приводятся в движение системами «бесконечного» троса с помощью приводов, установленных в торцевой части бассейна (на противоположном торце бассейна - натяжное устройство).

Приводы тележки поддерживают скорость с точностью 0,1% при установившемся движении, кроме того, привод боковой тележки поддерживает скорость с точностью 1% при движении с ускорением. Измерение усилий на корпусе модели производится с помощью четырех силовых динамометров. Управление движением тележек осуществляется с пульта, размещенного в торце бассейна, на нем же размещается вся измерительная аппаратура.

Регистрация усилий производится с помощью специально изготовленного регистрационно - вычислительного комплекса (РВК). РВК базируется на процессоре «PENTIUM 1», который на сегодняшний день является устаревшим и имеет значительный износ, а установленное ПО не может корректно работать на 64-разрядных процессорах. Установленный АЦП, принимающий аналоговый сигнал с динамометров, также значительно устарел и искажает выходной цифровой сигнал. В связи с этим необходимо провести модернизацию системы с целью повысить точность экспериментальных данных РВК и его ремонтопригодность.

Рисунок 1. Структурная схема РВК

Авторами был разработан план модернизации РВК опытового бассейна, который состоит из следующих пунктов:

1. Модернизация аппаратной части системы сбора и обработки данных РВК:
   1. Замена устаревшего АЦП на разработанный на базе платформы Arduino Uno;
   2. Разработка нового устройства на базе платформы Arduino Uno для передачи данных от АЦП к устройству-обработчику по WiFi;
   3. Разработка нового устройства на базе платформы Arduino Uno для сбора, обработки и передачи данных от АЦП на ЭВМ;
2. Модернизация программного обеспечения системы сбора и обработки данных РВК:
   1. Разработка приложения на ПК с использованием ЯП Python 3 для приёма, обработки и графического отображения полученных с АЦП гидродинамических данных.

Модернизация АЧ. Весь комплекс работает от общего блока питания, подающего стабилизированное напряжение 5 В. Сигналы от динамометров и датчика расстояния усиливаются в усилителе постоянного тока до напряжения 6 В (порогового напряжения срабатывания микросхем аналогово-цифрового преобразователя). Информация в виде машинных кодов подается на внешний порт ЭВМ и фиксируется в ее оперативной памяти. Усилитель и преобразователь рассчитаны на одновременное считывание и обработку информации с 8 каналов.

Существующая система имеет ряд серьёзных недостатков:

· Установленный АЦП, принимающий аналоговый сигнал с динамометров, значительно устарел (не совместим с современным оборудованием) и искажает выходной цифровой сигнал;

· Передача данных от усилителя к АЦП происходит по изолированному кабелю длиной 70 метров, что создаёт неудобства при движении модели и также способствует искажению сигнала;

· Отсутствие датчика скорости модели не позволяет проводить некоторые гидродинамические расчёты.

Для устранения вышеперечисленных недостатков был разработан план модернизации аппаратного обеспечения РВК:

1. Замена устаревшего АЦП на новый, разработанный на базе платформы Arduino Uno;

2. Разработка нового устройства на базе платформы Arduino Uno для передачи данных от АЦП к устройству-обработчику по WiFi;

3. Разработка нового устройства на базе платформы Arduino Uno для сбора, обработки и передачи данных от АЦП на ЭВМ;

4. Включение в систему датчика скорости движения модели.

5. Включение в систему устройства шумоподавления

Рисунок 2. Структурная схема модернизированного РВК

Модернизация ПО. Приложение для компьютера РВК служит для регистрации и обработки экспериментальных данных. Получая цифровой сигнал от АЦП через USB-порт, программа строит график для каждого канала передачи в режиме реального времени. Полученные данные графически отображаются на сетке и записываются в файл, после записи возможно проведение тарировки. У данного приложения имеются следующие недостатки:

Недостатки аппаратного обеспечения:

• Устаревший процессор Pentium 1;
• Устаревшая шина ввода-вывода ISA.

Функциональные проблемы приложения:

• Отсутствие возможности приёма данных при работе на более новых процессорах;
• Отсутствие возможности построения графика в реальном времени и его записи одновременно;
• Неизменяемый масштаб сетки и неизменяемая точка отсчёта;
• Не работает функция вычисления среднего значения на промежутке;
• Отсутствие отображения текущей скорости модели в реальном времени;
• Невозможно возобновить измерение после закрытия диалогового окна.

Разрабатываемая для компьютера РВК программа, призванная исправить существующие недостатки, должна соответствовать следующим требованиям:

1) Иметь возможность приёма входных данных с USB порта;

2) Корректно выполняться на современных процессорах и ОС;

3) Иметь открытый исходный код;

4) Выполнять следующие функции:

1. Получать данные от 8 входных каналов;
2. Строить график по данным каждого канала в реальном времени;
3. Производить тарировку (перевод у.е. в реальные единицы измерения);
4. Отображать скорость модели в режиме реального времени;
5. Вычислять среднее значение скорости модели на заданном промежутке времени;
6. Вычислять среднее значение у.е. на заданном промежутке времени;
7. Задавать точку отсчёта графика;
8. Масштабировать сетку графика;

5) Иметь удобный и понятный интерфейс;

6) Иметь сопроводительную документацию (Help и подобные инструкции).

Таким образом, модернизация РВК опытового бассейна по разработанному плану позволит значительно повысить точность получаемых экспериментальных данных (расстояния до тележки из-за установки лазерного дальномера и динамических данных за счёт более совершенного АЦП), улучшить ремонтопригодность (с использованием устройств на базе доступной платформы Arduino), повысить удобство использования (с применением приложения, разработанного под современные компьютеры и сопроводительной документации) и расширить, благодаря новым программным функциям, возможности по обработке полученных данных.

Список литературы:

1. Лебедев О.Ю., Лабораторный практикум в опытовом бассейне: учебное пособие [Текст] / О.Ю. Лебедев, А.А. Девяткин. –  Новосибирск: НГАВТ, 2011.