Tilda Publishing

Разработка электроники полного цикла: схемотехника, разработка ПО, серийное производство

info@teslatec.ru

+7 (383) 304-94-30

Teslatec

Лазерный детектор утечек метана

Описание проекта

Портативный лазерный детектор устанавливается на вертолет и выявляет утечки метана при пролете над трубопроводом. Специалисты «Тесла тек» перенесли алгоритмы с LabVIEW на встраиваемую электронику, разработали плату, прошивки микроконтроллера и FPGA, ПО для ПК и подготовили устройство к мелкосерийному производству.

Задачи разработки проекта

Заказчик использовал систему лазерного обнаружения метана, построенную на модулях National Instruments, компьютере и программном обеспечении LabVIEW.

Такое решение применялось в составе оборудования, устанавливаемого на вертолет для обследования газопроводов. Оно занимало много места, имело высокую стоимость и ограничивало возможность создания компактных модификаций прибора.

«Тесла тек» требовалось перенести разработанный заказчиком алгоритм детектирования метана на специализированный электронный модуль, внутри которого выполнялись бы сбор и основная обработка сигналов.

Готовое решение должно было:

повторять результаты исходного алгоритма, реализованного в LabVIEW;
заменить модули National Instruments и часть функций промышленного компьютера;
управлять лазерным модулем и элементом Пельтье;
принимать и оцифровывать сигналы реперного и аналитического каналов;
рассчитывать концентрацию метана;
получать географические координаты от GPS-приемника;
передавать данные по Ethernet и RS-232;
иметь компактные размеры для установки в автомобильные, вертолетные и беспилотные комплексы;
подходить для серийного производства и последующей модернизации.

Решение, разработанное «Тесла тек»

Работы были разделены на три последовательных этапа.

Первым этапом специалисты «Тесла тек» перенесли алгоритм заказчика из LabVIEW на C++. Новая программа последовательно выполняла те же вычисления и позволила подтвердить совпадение результатов с исходной системой.

На втором этапе был разработан макет на основе отладочных плат АЦП, ЦАП и микроконтроллера STM32F407. Управляющий алгоритм выполнялся на компьютере, а обмен данными был организован по Ethernet и USB-UART. На этом этапе специалисты «Тесла тек» подтвердили работоспособность выбранной архитектуры и подготовили техническое предложение на портативную версию прибора.

На третьем этапе вся электроника была объединена на одной печатной плате размером 55 × 75 мм. На нее перенесли:

аналого-цифровые и цифро-аналоговые преобразователи;
аналоговые измерительные тракты;
схему управления лазером;
интерфейсы связи;
микроконтроллер;
FPGA;
цепи управления элементом Пельтье.

Основные вычисления были перенесены с управляющего компьютера в микроконтроллер и FPGA. Компьютер сохранился как рабочее место оператора для отображения данных, диагностики, калибровки и настройки электронного модуля.

Специалисты «Тесла тек» также разработали ПО оператора для ПК. Оно используется при диагностике, калибровке, настройке и пусконаладке электронных модулей.

Принцип работы устройства

Лазерный модуль формирует модулированное излучение с периодом 100 мкс. В оптическом тракте излучение разделяется на два пучка.

Первый пучок проходит через колбу с метаном известной концентрации и поступает на фотоприемник реперного канала. Второй направляется в атмосферу, отражается от поверхности и принимается оптическим блоком аналитического канала.

Сигналы с фотоприемников усиливаются, оцифровываются и обрабатываются электронным модулем. Детектирование основано на поглощении метаном излучения определенной длины волны.

Для устойчивой работы лазера реализована двухэтапная стабилизация температуры:

предварительная стабилизация по встроенному термистору;
точная подстройка по положению характерного провала принятого сигнала.

GPS-приемник позволяет связать зарегистрированную утечку с географическими координатами для последующей обработки результатов обследования.

Результаты выполнения проекта

В результате проекта создан компактный электронный модуль портативного лазерного детектора метана.

Разработанное решение позволило:

отказаться от громоздких модулей National Instruments;
перенести основные вычисления с компьютера в микроконтроллер и FPGA;
уменьшить размеры и стоимость электронной части;
использовать один модуль в автомобильном, вертолетном и БПЛА-исполнениях;
проводить диагностику, настройку и калибровку через разработанное ПО оператора;
определять концентрацию метана и координаты места утечки;
выпускать прибор сериями.

Специалисты «Тесла тек» разработали первую и скорректированную вторую версии платы, прошивки микроконтроллера и FPGA, а также ПО для ПК. На этапе прототипирования изготовили восемь плат и передали их заказчику.

После чего была выпущена партия устройств, которые применяются на проектах заказчика по всему миру.

После передачи проекта «Тесла тек» продолжила сопровождение разработки. Была изменена схема интерфейса Ethernet, доработан алгоритм измерения расстояния и начата разработка автоматизированного стенда для программирования и проверки плат.

Выполненные работы

Исследовали задачу и разработали техническое решение;
Разработали архитектуру устройства;
Разработали дизайн плат: схемотехнику и топологию;
Разработали встроенное ПО;
Изготовили и испытали опытные образцы;
Подготовили изделие к серийному производству;

Команда разработки

Руководитель проекта, Инженер-программист микроконтроллеров, Инженер-программист прикладного ПО, Инженер-программист FPGA.

2018 год

Требуется разработка электроники?

Если у вас уже есть задача или идея, которую нужно формализовать и оценить, свяжитесь с нами. Наш менеджер позвонит вам, чтобы осудить детали. Конфиденциальность и защиту авторского права гарантируем документально.

Нажимая на кнопку, вы даете согласие на обработку персональных данных и соглашаетесь c политикой конфиденциальности

Заказать звонок

Другие проекты