Датчики и сенсорные системы

Магистратура 2020/2021

Статус: Курс обязательный (Интернет вещей и киберфизические системы)

Направление: 11.04.02. Инфокоммуникационные технологии и системы связи

Кто читает: Департамент электронной инженерии

Где читается: Московский институт электроники и математики им. А.Н. Тихонова

Когда читается: 1-й курс, 1-3 модуль

Формат изучения: без онлайн-курса

Преподаватели: Каперко Алексей Федорович, Касаткин Александр Дмитриевич, Красивская Мария Игоревна

Прогр. обучения: Интернет вещей и киберфизические системы

Язык: русский

Кредиты: 6

Контактные часы: 110

Полная версия программы учебной 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

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

ПРО 1 Называть и описывать компоненты систем сбора данных, основные характеристики датчиков, сенсорных систем, интегральных датчиков инфокоммуникационной техники, интерфейсы микросистемных датчиков, элементы каналов устройств сбора данных, их параметры, объяснять значение терминов, относящихся к системам сбора данных
ПРО 2 Объяснять особенности работы датчиков и сенсорных систем, интегральных датчиков инфокоммуникационной техники, методы, режимы и параметры сбора данных и генерации сигналов, схемы и настройки подключения к системе, способы согласования сигналов, способы синхронизации задач сбора данных, основные методы обработки сигналов
ПРО 3 Выбирать компоненты и параметры компонентов системы сбора данных, схемы и настройки подключения, способы согласования сигналов, методы обработки сигналов, подходящие для решения конкретной прикладной задачи
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.
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

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

ПЗ модуля 2
Мини-тесты
ПЗ модуля 3
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
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.
ПЗ Модуля 1

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

Программа дисциплины