Радиоволновые и оптические методы
УДК 620.179.18:621.317
ИЗМЕРИТЕЛЬНО-ВЫЧИСЛИТЕЛЬНЫЙ КОМПЛЕКС РАДИОВОЛНОВОГО НЕРАЗРУШАЮЩЕГО КОНТРОЛЯ ИЗДЕЛИЙ ИЗ ДИЭЛЕКТРИКОВ: АППАРАТНОЕ И ПРОГРАММНОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ
О. О. Дробахин, Е. В. Кондратьев
Изложены структура и алгоритмы работы модификации измерительно-вычислительного комплекса, выполняющего измерения на одной или многих частотах микроволнового диапазона характеристик отражения объектов, расположенных вне измерительного тракта. Рассмотрены вопросы автоматизации и повышения надежности измерений, а также особенности управления комплексом с помощью персонального компьютера в условиях многозадачной операционной среды. Представлены программные средства предварительной обработки и отображения данных измерений. Описаны пользовательские интерфейсы.
Многочастотные методы измерений, реализованные в ранее разработанных измерительно-вычислительных комплексах (ИВК) РИМЧ-01-05 [1], успешно применяются для послойного контроля параметров в слоистых диэлектрических структурах. В этих ИВК измерению подлежит отношение сигналов падающей и отраженной волн на ряде частот. Выделение и детектирование сигналов обеспечивается волноводной рефлекто-метрической схемой с направленными детекторами при использовании в качестве зонда или открытого конца волновода или одного из видов рупорных антенн. При этом для получения значений сигналов в каналах падающей и отраженной волн последовательно опрашиваются каналы АЦП, а отношение указанных сигналов вычисляется программно. Конструкция АЦП также предусматривает функцию подачи напряжения смещения на детекторы для обеспечения максимальной чувствительности по каналу отраженной волны и создания возможности реализации принципа фурье-голографии [2], то есть получение характеристики, близкой к квадратичной.
Состав ИВК. Современные компьютеры позволяют обеспечить дальнейшее развитие ИВК указанного класса. Рассматриваемый ИВК является модификацией ИВК РИМЧ-01, в него входят:
генератор СВЧ колебаний Г4-155, имеющий рабочий диапазон частот 17,0—25,9 ГГц;
первичный СВЧ преобразователь в виде двух направленных ответви-телей с детекторами во вторичных каналах, выполненных на волноводах сечением 11x5,5 мм;
АЦП (8-канальный цифровой вольтметр), для измерения сигналов детекторов, входящих в состав первичного преобразователя, использованы 2 из его 8 каналов;
универсальный 64-битный интерфейсный адаптер, позволяющий программно согласовывать цифровые интерфейсы генератора и АЦП (а также любых других цифровых приборов) с интерфейсом параллельного порта персонального компьютера;
персональный компьютер (ПК) на базе РеШит-совместимого процессора под управлением операционной системы (ОС) \Ут(1о\¥8'98.
ИВК построен в виде цепочки: СВЧ-тракт — измерительные приборы с цифровым входом управления и/или выходом — интерфейсное устройство — ПК — программное обеспечение (ПО) измерений. Последовательное соединение подразумевает непосредственную связь любого звена цепочки лишь с соседними звеньями.
Программное обеспечение для организации процесса многочастот-
ных измерений. Программное обеспечение ИВК отражает указанную схему посредством хорошо структурированной иерархии драйверов частей ИВК. Драйверы в иерархии связаны также последовательно с помощью жестко и однозначно определенных программных интерфейсов. При этом драйвер каждого следующего по цепочке устройства "видит" его благодаря драйверу предыдущего устройства. Подобная организация позволяет легко и быстро изменять и/или отлаживать реализацию отдельных функциональных частей ПО независимо друг от друга, не влияя на работоспособность системы в целом.
Согласно принципам многозадачных графических ОС программа измерений построена в виде двух качественно различных частей: пользовательского интерфейса и система драйверов ИВК. Задача пользовательского интерфейса общеизвестна — ввод исходных параметров, запуск цикла измерений, отображение данных измерений, информация о ходе измерений и возможных некорректных ситуациях.
Нижний уровень системы драйверов — драйвер интерфейсного адаптера — содержит функции 64-битного обмена данными с внешними цифровыми устройствами, функции инициализации адаптера, параллельного порта, функции управления адаптером и контроля его состояния. Обмен данными посредством адаптера требует дополнительных затрат по времени на управление адаптером и параллельным портом ПК, поэтому скорость ввода/вывода данных через адаптер в 3—6 раз ниже пропускной способности параллельного порта. При этом она остается достаточно высокой (порядка 8000 32-битных слов в секунду на вывод и 4000 на ввод), с избытком перекрывая быстродействие цифровых приборов, подключенных к адаптеру в настоящем ИВК, а также приборов, планируемых к использованию в его будущих конфигурациях.
Драйвер измерительных приборов — следующая ступень иерархии драйверов — служит для управления генератором и АЦП. Он использует сервисы 64-разрядного ввода/вывода, предоставляемые драйвером интерфейсного адаптера. Управление генератором и АЦП является функционально полностью независимым (отражая очевидную физическую независимость этих приборов), однако структурно драйвер выполнен как единое целое, указывая на их единство в процессе измерений. Драйвер приборов предоставляет интерфейс управления ими в терминах их функций, т. е. позволяет обеспечить непосредственное управление частотой, мощностью и видом модуляции генератора, а также получение результатов аналого-цифрового преобразования на заданном канале АЦП в метрических единицах напряжения.
Этот интерфейс служит драйверу измерений для простого и безошибочного управления приборами при измерениях сигналов детекторов на многих частотах. Задачей драйвера измерений является также предварительная обработка и сохранение результатов измерений.
Характер и объем данных измерений обусловливают то, что они (данные) сохраняются в текстовом формате с использованием простых форм гипертекстового языка. Такое решение позволяет оперативно просматривать и редактировать сохраненные файлы и дает возможность импортировать их в практически любой современный программный пакет для последующей обработки.
Пользовательский интерфейс (рис. 1) имеет непосредственную связь лишь с драйвером измерений для передачи параметров и старта процесса измерений. Как и многие другие графические интерфейсы, он достаточно легок в освоении и удобен в работе. Перед проведением измерений пользователь должен изменить (при необходимости) один или несколько параметров измерений (в наибольшей степени это касается параметров
сохранения результатов — имен записи и файла), а затем нажать кнопку "Произвести измерения". При этом отдельной нитью выполнения (execution thread) запускается драйвер измерений, который проверяет введенные параметры согласно указанным "Ограничениям", после чего производит инициализацию интерфейсного адаптера, затем генератора и АЦП.
Рис. 1. Пользовательский интерфейс программы многочастотных измерений с помощью ИВК.
После успешного завершения перечисленных операций выполняется цикл измерений, имеющий двухуровневую структуру. Результат каждой итерации внешнего ее цикла есть измерение одной характеристики отражения в указанном частотном диапазоне. Количество характеристик, подлежащих измерению, задается пользователем в поле ввода "Число частотных характеристик" (см. рис. 1) В каждой итерации внутреннего цикла измеряется значение характеристики отражения на конкретной частоте. Количество частот (и соответственно итераций) также задается пользователем в поле ввода "Количество частот".
В результате получается совокупность характеристик отражения, которая рассматривается как набор данных, содержащий для каждой частоты несколько (экспериментальных) значений искомой характеристики отражения. Значения сортируются в порядке возрастания, а затем из полученного ряда выбирается среднее по номеру (так называемое медианное усреднение). Эта операция производится для всех заданных частот, что дает результирующую характеристику, с большой вероятностью избавленную от импульсных помех и шумов. Выбор числа характеристик диктуется следующими соображениями. Во-первых, очевидно, что хоро-
шие результаты дает медианное усреднение при нечетном количестве характеристик. Во-вторых, от последнего зависит общая длительность измерений. Получение одной характеристики (итерация внешнего цикла измерений) длится около 3 мин. Оптимальное количество характеристик составляет 3—5, что дает общую длительность измерений 9—15 мин. При этом медианное усреднение удаляет 1—2 случайных выброса на любой частоте с вероятностью 100 %. Наличие большего количества выбросов неизбежно проявляется на результирующей характеристике и скорее всего свидетельствует о неисправности аппаратуры или неудовлетворительном уровне внешних помех (электрическая сеть, эфир и т. д.). Результат усреднения вместе с набором значений частот и параметрами измерений добавляется в файл с указанным именем.
Ход измерений отражается в окне монитора (внизу окна приложения). Здесь пользователь может наблюдать за текущими значениями частоты, сигналов падающей и отраженной волн, их отношением и номером частотной характеристики. В случае ошибочной ситуации, при которой невозможны измерения (некорректные значения параметров, невозможность нормальной работы с аппаратурой, прерывание измерений пользователем) окно монитора служит для отображения информации об ошибке.
Алгоритм измерения сигналов детекторов на одной частоте тесно связан с аппаратными особенностями генератора и вольтметра. В первую очередь из-за сильной зависимости уровня сигналов от частоты производится подбор СВЧ-мощности генератора. Мощность выбирается таким образом, чтобы сигналы обоих детекторов были не ниже определенного порога, но и не вызывали при этом перегрузки АЦП. Далее в едином цикле измеряется серия пар значений сигналов (падающей и отраженной волны) и продолжается контроль мощности. Критерием достижения приемлемых значений сигналов является их отличие от предыдущих не более чем на 1 младший разряд АЦП (обусловленное погрешностью самого АЦП
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.