Системы сбора данных

Магистратура 2019/2020

Статус: Курс обязательный (Интернет вещей и киберфизические системы)

Направление: 11.04.02. Инфокоммуникационные технологии и системы связи

Кто читает: Департамент электронной инженерии

Когда читается: 1-й курс, 1, 2 модуль

Формат изучения: без онлайн-курса

Преподаватели: Красивская Мария Игоревна

Прогр. обучения: Интернет вещей и киберфизические системы

Язык: русский

Кредиты: 4

Полная версия программы учебной дисциплины

Аннотация

Целью курса является изучение работы и принципов построения систем сбора данных на основе многофункциональных устройств сбора данных National Instruments DAQ и ПК. Одним из ключевых аспектов Интернета вещей является измерение параметров и/или генерация реальных физических сигналов. Этот круг задач решается с помощью различных компонентов сбора данных (Data Acquisition - DAQ). Высокоточные и настраиваемые DAQ-устройства NI, позволяют создавать исключительно гибкие и эффективные измерительные и управляющие системы на базе ПК. В рамках курса сделан акцент на получении практических навыков разработки программных компонентов для решения конкретных задач сбора данных с использованием инструментов NI DAQmx и среды программирования NI LabVIEW. Рассматриваются практические вопросы организации и программирования задач аналогового ввода, аналогового вывода, цифрового ввода/вывода, работы со счётчиками, синхронизации задач сбора данных на основе различных механизмов аппаратного и программного запуска, согласования сигналов с датчиков для повышения точности измерений, а также обработки сигналов измерительной информации. Содержание дисциплины гармонизировано с официальными курсами National Instruments. Обучение осуществляется в интерактивном режиме, построено на конкретных практических примерах, с применением многофункционального измерительного оборудования NI DAQ.

Цель освоения дисциплины

Целью освоения дисциплины «Системы сбора данных» является формирование понимания принципов построения, навыков использования и разработки компонентов систем сбора данных на основе многофункциональных устройств сбора данных National Instruments DAQ и ПК. В процессе освоения дисциплины «Системы сбора данных» студент развивает следующие компетенции:  способен разрабатывать и применять специализированное программно-математическое обеспечение для проведения исследований и решения инженерных задач;  способен разрабатывать модели средств, систем и процессов в инфокоммуникациях, проверять их адекватность на практике и использовать пакеты прикладных программ анализа и синтеза инфокоммуникационных систем, сетей и устройств;  способен применять и разрабатывать методы формирования и обработки сигналов, систем коммутации синхронизации и определять области эффективного их использования в инфокоммуникационных сетях, системах и устройствах;  Способен самостоятельно выполнять экспериментальные исследования для решения научно-исследовательских и производственных задач с использованием современной аппаратуры и методов исследования, участвовать в научных исследованиях в группе, ставить задачи и выбирать методы экспериментальных исследований.

Планируемые результаты обучения

Знать: общую структуру, состав, возможности систем сбора данных DAQ, принципы правильного выбора компонентов системы сбора данных; структуру и основные компоненты программного обеспечения систем сбора данных DAQ. Уметь: осуществлять обоснованный выбор компонентов системы сбора данных для решения прикладных задач. Владеть: навыками применения базовых программных инструментов DAQ.
Знать: основные элементы каналов аналогового ввода; основные параметры аналогового ввода и правила их выбора; правила заземления системы. Уметь: обоснованно и корректно выбирать параметры аналогового ввода; выбирать и использовать программные инструменты для создания каналов аналогового ввода. Владеть: навыками разработки программных компонентов аналогового ввода в различных режимах.
Знать: основные компоненты каналов аналогового вывода; основные методы, режимы и параметры генерации аналоговых сигналов с использованием системы DAQ; Уметь: обоснованно и корректно выбирать параметры аналогового вывода; выбирать и использовать программные инструменты для создания генерации сигналов. Владеть: навыками разработки программных компонентов для генерации сигналов с использованием каналов аналогового вывода в различных режимах.
Знать: основные компоненты каналов цифрового ввода/вывода DAQ; основные методы, режимы и параметры получения и генерации сигналов с использованием системы DAQ; Уметь: обоснованно и корректно выбирать параметры каналов цифрового ввода/вывода; выбирать и использовать программные инструменты для работы с каналами цифрового ввода/вывода. Владеть: навыками разработки программных компонентов для получения и генерации сигналов с использованием каналов цифрового ввода/вывода в различных режимах.
Знать: компоненты каналов аналогового вывода; методы, режимы и параметры генерации аналоговых сигналов с использованием системы DAQ; Уметь: выбирать параметры аналогового вывода; выбирать и использовать программные инструменты для создания генерации сигналов. Владеть: навыками разработки программных компонентов генерации сигналов каналов аналогового вывода в различных режимах
Знать: основные способы согласования сигналов; конкретные способы согласования, рекомендованные для различных типов датчиков. Уметь: обоснованно и корректно выбирать методы согласования для уменьшения погрешностей измерений. Владеть: навыками организации измерительных каналов с минимизацией погрешностей.
Знать: основные способы синхронизации задач сбора данных; возможные источники сигналов синхронизации сбора данных. Уметь: обоснованно и корректно выбирать инструменты синхронизации задач сбора данных. Владеть: навыками организации измерительных задач с синхронизацией измерений на одном или нескольких устройствах.
Знать: основные методы для обработки сигналов и выполнения измерений параметров сигналов. Уметь: корректно и обоснованно применять основные методы для обработки сигналов и выполнения измерений параметров сигналов. Владеть: навыками грамотного применения и разработки программных инструментов для обработки сигналов и выполнения измерений параметров сигналов.измерений параметров сигналов.

Содержание учебной дисциплины

Раздел 1. Основы сбора данных
Обзор системы сбора данных DAQ. Структура. Состав, функциональные возможности и особенности применения. Обзор датчиков, типов сигналов, оборудования сбора данных, специального программного обеспечения и средств согласования сигналов. Аппаратное и программное обеспечение сбора данных. Принципы правильного выбора аппаратных компонентов средств сбора данных DAQ. Составляющие и основные параметры DAQ-устройства. Программное обеспечение. Источники погрешностей.
Раздел 2. Аналоговый ввод
Освоение приёмов разработки приложений LabVIEW для осуществления аналогового ввода. Изучение правил заземления системы, определения подходящей частоты дискретизации для предотвращения как явления наложения спектра, так и переполнения буфера. Формирование навыков разработки приложений сбора данных в разных режимах: поточечного сбора данных с программной синхронизацией, конечной выборки данных с буферизацией; непрерывного буферизированного сбора данных.
Раздел 3. Аналоговый вывод
Обзор различных методов генерации уровней напряжения и сигналов через DAQ-устройство. Архитектура аналогового вывода. Поточечная генерация, генерация конечной выборки с буферизацией, непрерывная буферизированная генерация.
Раздел 4. Цифровой ввод/вывод
Изучение цифровых сигналов и приёмов разработки приложений цифрового ввода и вывода с использованием программной и аппаратной синхронизации.
Раздел 5. Временной ввод/вывод
Счетчики. Изучение функциональных возможностей счетчиков DAQ устройства. Знакомство с ключевой терминологией счетчиков. Сигналы счетчиков, составные части счетчиков, настройка контактов для подключения. Освоение приёмов разработки приложений для решения различных измерительных задач с помощью счетчико
Раздел 6. Согласование сигналов.
Выбор и особенности подходящих способов согласования сигналов, таких как: усиление, ослабление, фильтрация, для требуемой подготовки к дальнейшим измерениям напряжения. Изучение конкретных способов согласования, рекомендованных для различных типов датчиков.
Раздел 7. Синхронизация задач сбора данных.
Изучение способов синхронизации задач. Использование счётчиков для синхронизации. Синхронизация измерений на одном или нескольких устройствах.
Раздел 8. Обработка сигналов.
Использование функций свертки, корреляции сигналов, дифференцирование и интегрирование. Выполнение измерений параметров сигналов во временной области. ДПФ и БПФ. Спектр мощности. Выбор типа окна. Фильтраци

Элементы контроля

Мини-тест
Небольшие (до 5 заданий) тесты по материалам предыдущих занятий. Всего за курс 7 мини-тестов.
Практические занятия
Всего за курс 17 ПЗ.
Проект
Проект представляет собой работу прикладного характера, связанную с разработкой прототипа решения в области Интернета вещей, представляющего собой систему сбора данных или её компонент. Проект выполняется в часы, отводимые на самостоятельную работу, с возможностью получения консультаций преподавателя в очном или дистанционном формате.
Экзамен
В ходе освоения дисциплины формируются следующие компетенции: УК-1, УК-7, ОПК-2, ОПК-6, ПК-13, ПК-14, ПК-16, ПК-17, ПК-18

Промежуточная аттестация

Промежуточная аттестация (1 модуль)
0.15 * Мини-тест + 0.25 * Практические занятия + 0.6 * Экзамен
Промежуточная аттестация (2 модуль)
0.2 * Мини-тест + 0.3 * Практические занятия + 0.25 * Проект + 0.25 * Экзамен

Программа дисциплины