Modulární měřicí přístroj

Abstract

Tato práce se zabývá srovnáním různých modulárních měřících přístrojů a to primárně z pohledu dostupnosti pro jednotlivce a nebo malé spolky. Jsou srovnány různá komerční a otevřená (,,open source'') řešení. Srovnávání je prováděno na experimentu studentského spolku CTU Space Research. Jedná se o testování raketového motoru na pevné palivo. Budou vytvořené high-level požadavky na alternativní řešení, které by zároveň bylo dostupné pro jednotlivce a dovolovalo dobrou rozšiřitelnost a vysoký výkon. Bude se jednat o modulární přístroj který se bude skládat ze zásuvných měřících modulů. Ty budou sloužit jako jeho front end a definovat jeho funkcionalitu. Dostupnost bude dosažena především přesunutím mnoha hardwarových prvků měřících modulů do softwaru. Měřící přístroj bude vybaven výkoným ARM procesorem, který umožní rychlý sběr a zpracování dat. Bude sestrojen z COTS součástí a využije populárních komunikační sběrnice jako například SPI nebo I2C. Podle těchto požadavků bude navržen a vyroben hardware. Bude navržen spojovací modul do kterého přijdou zásuvné moduly. Ty se dělí do modulů na měření a na zpracování dat. Měřící moduly se budou chovat jako rozšíření řídícího modulu a budou definovat vlastnosti přístroje. Řídící modul bude také vyměnitelný a bude měřící moduly naopak ovládat a naměřená data odesílat. Hardware bude navržen tak, aby co nejvíc zjednodušil návrh nových modulů. Proto bude navržena šablona, podle které lze navrhovat další měřící moduly. Dále bude navržený malý vývojový kit, který ulehčí vývoj firmwaru na jednotlivé měřící moduly. K měřícímu přístroji budou navrhnuty tři měřící moduly. Bude se jednat o moduly které jsou přímo využívány týmem CTU Space Research pro testování raketových motorů. První modul bude sloužit ke sběru dat z průmyslových senzorů, které komunikují pomocí proudové smyčky. Druhý modul slouží pro sběr dat ze můstkových siloměrů. Poslední modul je určený na ovládání akčních prvků na pozemní podpůrné jednotce rakety, jako jsou servomotory, nebo solenoidy. K hardwaru bude navržen software, který umožní jednoduchý vývoj ovladačů pro další měřící moduly. Budou popsány jeho základní funkce a jak ho rozšířit pro nové moduly. Software bude komunikovat s okolním světem pomocí několik komunikačních protokolů s možností doplnění dalších v případě potřeby. Ve výsledku bude shrnut návrh hardwaru a jeho cena bude porovnána s ostatními přístroji. Výsledkem práce by měla být opravdová alternativa k často drahým modulárním měřícím přístrojům.

This thesis is concerned with the comparison of different modular measurement devices primarily based on their accessibility to individuals or small groups. Both commercial and open source solutions will be compared. Comparison will be performed using an example experiment from the CTU Space Research student team. A small solid engine rocket engine will be tested. A set of high level architectural requirement will be created to design a new solution which is accessible to our target groups and ensures great expandability. It will be a modular device which is made up of measurement modules which define its functionality. Low price will be achieved primarily by moving most features of measurement modules into software. For this, the device will be equipped with a high power ARM processor which will enable quick data acquisition. It will also use many COTS components and popular open communication buses such as SPI or I2C. Hardware will be designed based on the previously established requirements. A backplane will be designed that other measurement and processing modules will slot into. Hardware will be designed in such a way to make it as simple as possible to expand it. For this, a template measurement module will be designed. On top of that, a development kit will be designed which will ease firmware development for different measurement modules. Three measurement modules will be designed for the device. These modules will be designed for the needs of the CTU Space Research student team. Specifically, a sensor module for collecting data from industrial sensors using a current loop interface. Next, a module to measure bridge load cells and a module to control ground support equipment actuators such as servos or solenoids. Software will be designed to accompany this hardware. This software should make it trivial to implement new measurement modules. Basic functions of this software will be described. The software will communicate with the outside world using a few different communication protocols with more being able to be added later if needed. In the end, the newly designed hardware will be judged as the other measurement devices in the first section and its price will be compared with other devices. In the end, a true alternative to often expensive modular measurement devices should be created.