• A
  • A
  • A
  • АБB
  • АБB
  • АБB
  • А
  • А
  • А
  • А
  • А
Обычная версия сайта
Магистратура 2020/2021

Датчики и сенсорные системы

Направление: 11.04.02. Инфокоммуникационные технологии и системы связи
Когда читается: 1-й курс, 1-3 модуль
Формат изучения: без онлайн-курса
Прогр. обучения: Интернет вещей и киберфизические системы
Язык: русский
Кредиты: 6

Программа дисциплины

Аннотация

Одним из ключевых аспектов Интернета вещей является измерение параметров и/или генерация реальных физических сигналов. В рамках дисциплины рассматриваются датчики и сенсорные системы; физические принципы, используемые в сенсорах; различные типы датчиков, их технические характеристики и особенности; необходимое аппаратное и программное обеспечение для интеграции датчиков в киберфизические системы, обработки сигналов и анализа данных; практическое применение датчиков и сенсорных систем. Кроме того, обсуждаются технологии производства сенсорных систем для микроэлектромеханических и наноэлектромеханических систем. Также в рамках курса уделяется большое внимание получению практических навыков разработки программных компонентов для систем 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 данного раздела 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

Цель освоения дисциплины

  • Основной целью дисциплины «Датчики и сенсорные системы» является изучение и практическое применение систематических и методологических подходов, направленных на понимание проблем преобразования сигналов различной физической природы в электрический эквивалент, а также построения систем сбора данных с использованием технологий National Instruments DAQ.
Планируемые результаты обучения

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
  • Владеть: навыками грамотного применения и разработки программных инструментов для обработки сигналов и выполнения измерений параметров сигналов.
  • Уметь: корректно и обоснованно применять основные методы для обработки сигналов и выполнения измерений параметров сигналов.
  • Знать: основные методы для обработки сигналов и выполнения измерений параметров сигналов.
  • Владеть: навыками организации измерительных задач с синхронизацией измерений на одном или нескольких устройствах.
  • Уметь: обоснованно и корректно выбирать инструменты синхронизации задач сбора данных.
  • Знать: основные способы синхронизации задач сбора данных; возможные источники сигналов синхронизации сбора данных.
  • Владеть: навыками организации измерительных каналов с минимизацией погрешностей.
  • Уметь: обоснованно и корректно выбирать методы согласования для уменьшения погрешностей измерений.
  • 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: функциональные возможности счётчиков DAQ устройств; основные термины, используемые при работе со счётчиками; компоненты счётчиков, схемы и настройки подключения для выполнения различных измерений с использованием счётчиков.
  • Уметь: обоснованно и корректно выбирать схемы и настройки подключения для выполнения различных измерений с использованием счётчиков; выбирать и использовать программные инструменты для работы с каналами временного ввода/вывода.
  • Владеть: навыками разработки программных компонентов и приложений для решения измерительных задач и использованием счётчиков.
  • Знать: основные способы согласования сигналов; конкретные способы согласования, рекомендованные для различных типов датчиков.
Содержание учебной дисциплины

Содержание учебной дисциплины

  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • Цифровой ввод/вывод
    Изучение цифровых сигналов и приёмов разработки приложений цифрового ввода и вывода с использованием программной и аппаратной синхронизации.
  • 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 счетчиков.
  • 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.
  • Синхронизация задач сбора данных
    Изучение способов синхронизации задач. Использование счётчиков для синхронизации. Синхронизация измерений на одном или нескольких устройствах.
  • 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. Фильтрация.
Элементы контроля

Элементы контроля

  • неблокирующий ПЗ модуля 2
  • неблокирующий Мини-тесты
  • неблокирующий ПЗ модуля 3
  • неблокирующий 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.
  • неблокирующий Экзамен
    Экзамен проводится в устной форме. В билеты включаются вопросы теоретического и прикладного характера по материалам модуля. В билете 2 вопроса. На подготовку к ответу даётся 40 минут. По желанию студента возможен досрочный ответ. Во время подготовки к ответу допускается использование необходимых справочных материалов и источников, в т.ч. в электронных. Во время устного ответа преподавателю использование вспомогательных материалов не допускается, за исключением кратких поясняющих иллюстраций, схем, диаграмм и т.д.
  • неблокирующий ПЗ Модуля 1
Промежуточная аттестация

Промежуточная аттестация

  • Промежуточная аттестация (1 модуль)
    0.5 * Мини-тесты + 0.5 * ПЗ Модуля 1
  • Промежуточная аттестация (3 модуль)
    0.2 * Мини-тесты + 0.1 * ПЗ модуля 2 + 0.1 * ПЗ модуля 3 + 0.2 * Проект + 0.2 * Промежуточная аттестация (1 модуль) + 0.2 * Экзамен
Список литературы

Список литературы

Рекомендуемая основная литература

  • Sumathi, Sai, P. Surekha, and P. Surekha. LabVIEW based advanced instrumentation systems. Vol. 728. Berlin: Springer, 2007.
  • Бутырин П.А., Васьковская Т.А., Каратаев В.В. - Автоматизация физических исследований и эксперимента: компьютерные измерения и виртуальные приборы на основе LabVIEW 7 - Издательство "ДМК Пресс" - 2009 - 265с. - ISBN: 5-94074-274-2 - Текст электронный // ЭБС ЛАНЬ - URL: https://e.lanbook.com/book/1089
  • Евдокимов Ю.К., Линдваль В.Р., Щербаков Г.И. - LabVIEW для радиоинженера: от виртуальной модели до реального прибора. - Издательство "ДМК Пресс" - 2010 - 400с. - ISBN: 5-94074-346-3 - Текст электронный // ЭБС ЛАНЬ - URL: https://e.lanbook.com/book/40009
  • Измерения в LabVIEW/БаранЕ.Д., МорозовЮ.В. - Новосибирск : НГТУ, 2010. - 162 с.: ISBN 978-5-7782-1428-6 - Текст : электронный. - URL: http://znanium.com/catalog/product/546030
  • Магда Ю.С. - LabVIEW: практический курс для инженеров и разработчиков - Издательство "ДМК Пресс" - 2012 - 208с. - ISBN: 978-5-94074-782-6 - Текст электронный // ЭБС ЛАНЬ - URL: https://e.lanbook.com/book/3023
  • Суранов А.Я. - LabVIEW 8.20: Справочник по функциям - Издательство "ДМК Пресс" - 2009 - 536с. - ISBN: 5-94074-347-1 - Текст электронный // ЭБС ЛАНЬ - URL: https://e.lanbook.com/book/1092
  • Трэвис Дж., Кринг Дж. - LabVIEW для всех - Издательство "ДМК Пресс" - 2011 - 904с. - ISBN: 978-5-94074-674-4 - Текст электронный // ЭБС ЛАНЬ - URL: https://e.lanbook.com/book/1100
  • Федосов, В., & Нестеренко, А. (2009). Цифровая Обработка Сигналов В Labview. Современные Наукоемкие Технологии, (7). Retrieved from http://search.ebscohost.com/login.aspx?direct=true&site=eds-live&db=edsclk&AN=edsclk.14782839

Рекомендуемая дополнительная литература

  • Баран Е.Д. - LabVIEW FPGA. Реконфигурируемые измерительные и управляющие системы - Издательство "ДМК Пресс" - 2009 - 448с. - ISBN: 978-5-94074-494-8 - Текст электронный // ЭБС ЛАНЬ - URL: https://e.lanbook.com/book/1095