Приложения

В практическом использовании шины CAN, как показано на рисунке 1, на обоих концах шины необходимо подключить резистор сопротивлением 120 Ом. Так для чего же предназначен резистор на 120 Ом?Рисунок 1Ниже в качестве примера для анализа мы рассмотрим внутреннюю архитектурную схему микросхемы TJA1044.Рисунок 2Характерной особенностью шины CAN является то, что доминирующий режим соответствует 0, а рецессивный — 1. Когда шина находится в рецессивном режиме, оба транзистора Q1 и Q2 микросхемы TJA1044 выключены, оставляя CANH и CANL неактивными с разностью напряжений 0 В. Когда шина находится в доминирующем режиме, оба транзистора Q1 и Q2 микросхемы TJA1044 включены, создавая разность напряжений между CANH и CANL. Если на шине нет нагрузки и она находится в рецессивном режиме, дифференциальное сопротивление шины будет очень большим, и даже минимальная внешняя энергия может привести к тому, что шина станет доминирующей. Это происходит главным образом потому, что минимальное пороговое напряжение для доминирующего режима в типичных трансиверах составляет всего около 500 мВ. Поэтому для повышения устойчивости шины к помехам необходим оконечный резистор. Однако это сопротивление должно быть как можно меньше (а также во избежание чрезмерного тока). Кроме того, необходимо учитывать паразитные емкости на шине. Когда шина доминирует, конденсатор заряжается, а когда она рецессивна, конденсатор разряжается. Если на шине нет параллельных резисторов, разрядка может происходить только через приемопередатчики на обоих концах. Это влияет на время перехода между двумя состояниями (рецессивным и доминирующим), что приводит к аномалиям формы сигнала (подъему), как показано на рисунке 3. Когда сигнал сталкивается с разрывом импеданса в высокоскоростном канале передачи, это вызывает отражения сигнала, которые мы называем разрывами импеданса. Добавление клеммных резисторов может устранить или уменьшить влияние этих отражений сигнала. Клеммные резисторы поглощают энергию сигнала, предотвращая ее рассеивание на шине. Так почему же 120 Ом? На самом деле, стандарт ISO 11898-2 четко определяет 120 Ом как наиболее разумное значение сопротивления, определенное в результате обширных экспериментальных испытаний.Рисунок 3Если вы хотите проверить, какое значение сопротивления клемм шины необходимо в реальном проекте, вы можете сделать это, используя метод, показанный на рисунке 4 ниже.Рисунок 4Подключите регулируемый резистор параллельно шине и регулируйте его до тех пор, пока форма прямоугольного сигнала не останется неискаженной. При выборе мощности резистора на выводах необходимо учитывать условия короткого замыкания интерфейса. Это означает, что в случае короткого замыкания ток короткого замыкания будет течь непосредственно от CANH к CANL. Однако ток, который может выдержать типичный CAN-трансивер, составляет всего несколько десятков мА (из-за внутренних мер ограничения тока внутри трансивера). Например, TJA1044 выдерживает только 50 мА. Исходя из формулы P = I² * R, получаем 50 мА * 50 мА * 120 Ом = 0,3 Вт. Поэтому мощность резистора выбирается равной 0,25 Вт, что соответствует распространенному корпусу 1206. 

При проектировании высокоточных систем измерения наклона контроль ошибок является ключевым фактором, определяющим производительность системы. В данной статье, объединяя результаты существующих исследований и инженерную практику, рассматриваются методы реализации, источники ошибок, методы анализа и решения с четырех точек зрения, что служит ориентиром для проектирования и оптимизации высокоточных систем измерения наклона.отражает угол между горизонтальной плоскостью и осью Y.2. Анализ основных источников ошибок1) Ошибка, вызванная воздействием окружающей среды⚪Механическая вибрация: При установке датчиков в вибрирующей среде вибрация может вызывать колебания выходного сигнала, например, на платформах транспортных средств или в промышленном оборудовании, где вибрация может привести к отклонению измерения на ±0,5°.⚪ Температурный дрейф: Изменения температуры вызывают дрейф нуля датчика, особенно когда рабочая температура выходит за пределы диапазона калибровки (например, от -20℃ до 65℃), погрешность может достигать 0,002°/℃.⚪ Электромагнитные помехи: Колебания напряжения или внешние электромагнитные поля могут создавать помехи в цепи передачи сигнала датчика, влияя на точность аналого-цифрового преобразования.2) Самоошибка датчика⚪  Нелинейная ошибка: выходной сигнал MEMS-датчиков наклона имеет нелинейную зависимость от угла наклона, иногда нелинейные ошибки могут достигать отклонения в 0,1° в диапазоне ± 30°.⚪  Ограничения по шуму и разрешению: Неправильная обработка аналоговых сигналов может привести к снижению эффективного разрешения, например, недостаточное количество бит АЦП может препятствовать обнаружению слабых сигналов на уровне 0,175 мВ.⚪  Ошибка установки: Неровное или неплотно закрепленное основание приводит к тому, что опорная плоскость датчика оказывается непараллельна измеряемой поверхности, что вызывает систематическое отклонение.3) Динамические помехиЕсли на устройство воздействует внешнее ускорение (например, вибрация или движение), выходные данные акселерометра будут содержать динамические компоненты ускорения, что приведет к ошибкам в расчете угла наклона. В этом случае необходимо объединить данные с гироскопа или магнитометра (например, с помощью фильтра Калмана).3. Решения проблем и ключевые технологии1) технология подавления экологических помеха) Конструкция для снижения вибрации: используйте резиновые прокладки для изоляции источника вибрации или выберите датчики с функцией динамической фильтрации.б) Температурная компенсация:⚪На аппаратном уровне: Выберите микросхемы MEMS со встроенными датчиками температуры для коррекции дрейфа путем сбора данных о температуре в реальном времени.⚪ На программном уровне: Разработать уравнение для аппроксимации кривой температурной погрешности, например, используя алгоритм полиномиальной компенсации, чтобы снизить точность температурного дрейфа до 0,002 °C при температуре от -20 до 65 °C.с) Изоляция питания и сигнала: для питания датчика используются высокостабильные источники опорного напряжения (например, LM236), а для уменьшения влияния пульсаций напряжения предусмотрены развязывающие цепи.2) технология оптимизации сигнала датчика а) Высокоточная конструкция сигнальной цепи: ⚪ Для улучшения коэффициента подавления синфазного сигнала и отношения сигнал/шум используйте малошумящие операционные усилители (например, ICL7653) и дифференциальные преобразовательные схемы (например, AD8138AR).⚪ Использование 24-битного АЦП типа ∑-Δ (например, встроенного АЦП в C8051F350) в сочетании с фильтром SINC3 позволяет снизить уровень шума и достичь эффективного разрешения в 20 бит.б) Нелинейная коррекция: путем разделения диапазона измерений и аппроксимации его сегментированными синусоидальными кривыми нелинейная ошибка уменьшается с 0,11° до 0,0044°.3) Установите систему коррекции ошибок.а) Метод сопоставления данных с помощью двух датчиков: путем совместной работы первого датчика наклона (калибровочный эталон) и второго датчика (подлежащего калибровке) на монтажной платформе устанавливается линейная зависимость между углом поворота и углом измерения для коррекции механических отклонений при монтаже.б) Горизонтальная калибровка: Используйте высокоточный уровень для калибровки поверхности установки, убедившись, что опорная плоскость датчика параллельна измеряемой поверхности, и закрепите основание винтами с регулируемым крутящим моментом.4) Алгоритм динамической компенсации ошибока) Интеграция данных с нескольких датчиков: объединение трехосевых акселерометров и гироскопов, прогнозирование динамических углов наклона с помощью алгоритмов фильтрации Калмана или LSTM, а также увеличение частоты обновления до более чем 100 Гц.б) Оптимизация модели контактной сети: на основе динамической деформации провода используется уравнение контактной сети для корректировки порога безопасности в режиме реального времени в сочетании с параметрами окружающей среды (скорость ветра, температура), что позволяет снизить вероятность ошибок до менее 0,3%.4. Типичные примеры применения и проверки1) Статическая высокоточная измерительная системаСистема измерения наклона на основе SOC (серия T7000-H) обеспечивает максимальную абсолютную погрешность 0,005° и относительную погрешность .

Рисунок 1. Источник питания BUC.Как правило, при проектировании асинхронного понижающего источника питания между выводами SW и BOOT микросхемы подключается бутстрепный конденсатор, например, C1 на рисунке 1. Бутстрепный конденсатор использует свойство, заключающееся в том, что напряжение на нем не может резко изменяться. Когда на конденсаторе поддерживается определенное напряжение, при увеличении напряжения на отрицательном выводе конденсатора напряжение на положительном выводе остается на исходном уровне разности напряжений на отрицательном выводе, тем самым увеличивая управляющее напряжение.Рисунок 2. Схема внутренней структуры микросхемы Buck.Микросхема понижающего преобразователя, показанная на рисунке 2, состоит из двух NMOS-транзисторов, которые попеременно проводят ток комплементарно. Общее входное напряжение VIN подается через внутренний стабилизатор напряжения, который выдает низкое постоянное напряжение Vb для зарядки Vboot. Этот внутренний стабилизатор напряжения обычно представляет собой источник питания с низким падением напряжения (LDO). Во время работы микросхемы понижающего преобразователя, когда нижний MOSFET Q2 включен, напряжение на выводе SW равно 0. Выходное напряжение LDO Vb заряжает бутстрепный конденсатор C1, который затем протекает через диод D1, а затем через нижний MOSFET Q2. Напряжение на конденсаторе приблизительно равно Vb, и напряжение на выводе BOOT теперь равно Vb. Когда нижний MOSFET Q2 выключен, а верхний MOSFET Q1 включен, напряжение на выводе SW возрастает с 0 В до VIN. S-полюс нижнего MOSFET Q2 напрямую заземлен. Пока на G-полюсе присутствует высокий уровень выходного напряжения (>Vth), нижний MOSFET Q2 будет включен. Напряжение на S-полюсе верхнего MOSFET Q1 равно входному напряжению VIN. Для поддержания включенного состояния верхнего MOSFET Q1 напряжение управления затвором должно быть больше VIN + Vgs(th). Поскольку напряжение на конденсаторе в этот момент не может резко изменяться, напряжение на выводе BOOT повышается до значения, превышающего VIN (VIN + Vb). Конденсатор C1 подключен параллельно источнику питания блока управления верхнего MOSFET Q1, HS Driver. Бутстрепный конденсатор C1 разряжается, обеспечивая питание, а напряжение питания представляет собой разность напряжений на бутстрепном конденсаторе. Благодаря наличию бутстрепного конденсатора напряжение управления затвор-исток верхнего MOSFET Q1 удовлетворяет условию включения (Vgs > VIN + Vgs(th)), тем самым поддерживая включенное состояние верхнего MOSFET Q1. Пока напряжение между выводами BOOT и SW превышает пороговое значение BOOT UVLO, верхний MOSFET Q1 остается включенным. Когда напряжение на бутстрепном конденсаторе падает ниже порогового значения BOOT UVLO из-за разряда, верхний MOSFET Q1 выключается, а нижний MOSFET Q2 включается, периодически заряжая бутстрепный конденсатор и тем самым реализуя режим ШИМ-управления понижающего источника питания.

 Инерциальные навигационные системы (ИНС) играют решающую роль в технологиях автономного вождения, особенно в преодолении ограничений других датчиков, таких как GPS, камеры и LiDAR. Они обеспечивают непрерывную, высокочастотную и непрерывную информацию о состоянии движения и являются одним из основных компонентов восприятия и позиционирования в системах автономного вождения. Основная функция инерциальной навигационной системы Основная функция инерциальной навигационной системы в автономном вождении — это восприятие состояния движения транспортного средства. Измерение трехмерного положения, скорости и углов ориентации (включая крен, тангаж, рыскание) транспортного средства. Инерциальный измерительный блок (ИМБ), как основной датчик ИНС, имеет очень высокую частоту обновления данных (обычно выше 100 Гц), значительно превосходящую GPS (1-10 Гц) и камеры/лидары (10-30 Гц), и может фиксировать мгновенные динамические изменения транспортного средства. 1. Основной сценарий применения: компенсация других дефектов датчика. В системах навигации для автономного вождения сигналы GPS часто теряются или становятся ненадежными, что приводит к прерыванию или серьезному ухудшению сигнала GPS, например, в туннелях, подземных гаражах и под эстакадами, где спутниковые сигналы полностью блокируются; в городских каньонах и районах с высотными зданиями сигналы GPS сильно отражаются и подвержены многолучевым помехам, что приводит к значительному снижению или даже полному отказу в определении местоположения; в густых лесах листья также могут блокировать спутниковые сигналы.На этом этапе системы инерциальной навигационной системы (ИНС) обычно играют важную роль. Используя метод инерциальной навигации (идентификации по пройденному расстоянию), на основе известных точных данных о положении и ориентации в предыдущий момент времени, измеренные инерциальным измерительным блоком (ИМБ) значения ускорения и угловой скорости интегрируются для расчета текущего относительного смещения и изменения ориентации транспортного средства, что позволяет определить новое положение и ориентацию. Это обеспечивает непрерывность позиционирования. Благодаря предоставлению высокочастотной информации об ориентации, даже при хорошем сигнале GPS, высокочастотная и высокоточная информация об ориентации (крен, тангаж, рыскание), предоставляемая ИНС, труднодоступна для других датчиков.В приведенной ниже таблице сравниваются показатели эффективности навигации интегрированной навигационной системы I4500 в условиях спутниковой навигации и при потере спутникового сигнала.Производительность системы I4500ПараметрыИндекс (среднеквадратичный)КомментарииТочность заголовкаДвойная GNSS0,1°Базовая линия 2 мОдна GNSS0,2°Необходимо маневрироватьТочность сохранения данных при сбоях GNSS0,2°/мин ОтношениеТочностьGNSS действителен0,1° Точность сохранения данных при сбоях GNSS0,2°/мин режим VG(Время отказа GNSS неограничено, ускорение не предусмотрено)2° Точность горизонтального позиционированияGNSS действителен1,2 мОдноточечное соединение2 см + 1 ppmРТКСбой GNSS (60 с)20 м 2. Центральный узел системы объединения данных с нескольких датчиков.В современных системах автоматического управления без исключения используется технология объединения данных с датчиков. Инерциальная навигационная система (ИНС) является ключевым узлом в этой системе.⚪ Интеграция с GNSS позволяет создать интегрированную навигационную систему GNSS/INS, представляющую собой наиболее классическую и отработанную комбинацию. GNSS обеспечивает абсолютное положение и долговременную стабильность, но обновления происходят медленно и подвержены помехам; INS предоставляет высокочастотную, непрерывную информацию об относительном движении и ориентации, но имеет место кумулятивная ошибка (дрейф). Фильтр Калмана использует преимущества обеих систем для взаимной коррекции: GNSS корректирует дрейф INS, а INS обеспечивает непрерывное позиционирование и плавный выходной сигнал GNSS при сбоях GNSS. Во-вторых, это позволяет повысить общую точность и устойчивость, а точность и надежность комбинированной системы значительно выше, чем у отдельных GNSS или INS. ⚪ Благодаря интеграции со спидометром, спидометр предоставляет информацию о скорости вращения колес (скорость, пройденное расстояние), что может помочь в коррекции ошибок инерциальной навигационной системы (ИНС) при оценке скорости, особенно при движении автомобиля по прямой. В следующей таблице показаны показатели производительности интегрированной навигационной системы I3700 производства Micro-Magic Inc. Даже в случае потери спутникового сигнала высокая точность измерений может быть достигнута благодаря алгоритмическому объединению данных ИНС и спидометра.Индексы точности навигации I3700Потерянное время блокировкиРежим навигацииТочность позиционированияТочность скоростиТочность тангажа/кренаТочность заголовка3sПодключиться к одометру1 см0,03 м/с0,1°0,2°10-е1m0,1 м/с0,1°0,2°60-е6m0,1 м/с0,2°0,35°⚪ Благодаря интеграции с визуальной/лидарной SLAM-системой, высокочастотные данные IMU могут обеспечивать прогнозирование движения для визуальной или лидарной обработки, снижая вычислительную сложность сопоставления изображений или облаков точек и повышая производительность и надежность в реальном времени (особенно в условиях быстрого движения или слабой текстуры). Точная информация об ориентации (крен, тангаж), предоставляемая INS, имеет решающее значение для правильного анализа геометрических взаимосвязей изображений с камеры или облаков точек LiDAR на склонах и неровных дорогах.Примеры примененияВ качестве примера рассмотрим продукт I6700, выпущенный компанией Micro-Magic Inc. Эта система может интегрировать различные вспомогательные датчики, такие как GNSS, одометр, магнитометр и т. д., и обеспечивать точную коррекцию курса для транспортных средств в различных режимах работы.Метод корректировки курса I6700ФункцияСостояниеКомментарииGNSS Двойная антенна НаправлениеВключение двух антеннПодходит для открытых полейКинематическое выравниваниеСамолёт、Автомобильная и морская промышленностьПодходит для маневрирования в больших пространствах со скоростью несущего груза не менее 3 м/с.Направление GPSTrueGPS включенПодходит для открытых полейВыравнивание ускоренияРежим вертолетаУскорение не менее 2,5 м/с² в течение 2 секундМагнитный заголовокВключить магнитный компасМагнитное поле в окружающей среде относительно стабильно.Компания MicroMagic Inc. выпустила высокоточные инерциальные навигационные системы.Краткое содержание:  Инерциальная навигационная система (ИНС) является основой системы позиционирования для автономного вождения. Она обеспечивает непрерывную, высокочастотную и невозмущенную информацию о состоянии движения и ориентации транспортного средства, что является ключевой технологией для обеспечения непрерывности позиционирования, надежности и высокой частоты отклика. Особенно в сложных сценариях, когда GPS теряет связь (туннели, городские каньоны), ИНС поддерживает свою способность позиционирования за счет инерциальной навигации, что является неотъемлемой частью резервирования безопасности. Хотя ее собственная суммарная ошибка требует тесной интеграции с другими датчиками (GNSS, датчики скорости вращения колес, системы машинного зрения, LiDAR) для коррекции, в рамках многосенсорной интеграции ИНС выступает в качестве центрального узла, значительно повышая точность, надежность и динамические характеристики всей системы позиционирования. С развитием технологии инерциальных измерительных блоков (например, повышением точности MEMS-гироскопов и миниатюризацией твердотельных лазерных гироскопов) и оптимизацией алгоритмов интеграции роль ИНС в автономном вождении будет становиться все более важной. 

В схемах, используемых для связи по шине SPI с периферийными устройствами, небольшой резистор с сопротивлением в десятки Ом обычно подключается последовательно с сигнальной линией, как показано на рисунке 1. Такая конструкция обеспечивает выполнение следующих функций:1. Согласование импедансов. Когда сигнальные линии SPI длинные или емкость нагрузки велика, сигнал может отражаться на конце линии передачи, вызывая колебания формы сигнала (звон) или выбросы/провалы. Последовательный резистор действует как согласующий импеданс на конце источника (обычно близко к ведущему концу), поглощая отраженную энергию и уменьшая проблемы с целостностью сигнала. Это особенно важно в высокоскоростных SPI (например, десятки МГц) или длинных трассах.2. Снижение электромагнитных помех (ЭМП). SPI-связь часто работает на высоких скоростях. Последовательный резистор, вместе с линейной емкостью и емкостью нагрузки, образует RC-цепь. Такая структура цепи помогает замедлить нарастающие и спадающие фронты сигнала, предотвращая тем самым перерегулирование. Это положительно влияет на подавление ЭМП, особенно в высокоскоростных цепях.3. Ограничение тока и защита устройства. Резистор ограничивает поток тока в случае случайного короткого замыкания (например, из-за ошибок в проводке), предотвращая повреждение портов ввода-вывода ведущего или ведомого устройства.4. Оптимизация отладки. Во время отладки обычно используют осциллограф для захвата сигналов. Подключение резистора последовательно с линией сигнала SPI упрощает наблюдение и отладку сигнала с помощью осциллографа, повышая эффективность отладки.

Применение датчиков скорости вращения колес в инерциальных навигационных системах (ИНС) в основном проявляется в объединении данных от нескольких датчиков и коррекции ошибок, особенно играя важную роль в навигации транспортных средств. Инерциальные навигационные системы (ИНС) в основном полагаются на гироскопы и акселерометры для расчета положения, скорости и ориентации путем интегрирования, но существует проблема накопления ошибок. Датчики скорости вращения колес, как недорогие высокочастотные инкрементальные датчики, могут эффективно смягчить проблему расходимости ошибок в инерциальной навигации.В настоящее время в многосенсорных системах интегрированной навигации роль датчиков скорости вращения колес в основном заключается в коррекции скорости и позиционировании с использованием пройденного расстояния. Датчик скорости вращения колеса обеспечивает продольную скорость в реальном времени, сравнивает ее с результатом интегрирования ускорения инерциальной навигационной системы (ИНС) и объединяет данные с помощью фильтра Калмана (EKF/UKF) для подавления дрейфа скорости ИНС. В условиях отсутствия GPS-сигнала (туннели, подземные гаражи) датчик скорости вращения колеса предоставляет информацию о пройденном расстоянии, помогая ИНС вычислять относительное положение транспортного средства, что снижает накопление ошибок позиционирования. В данной статье косвенно рассчитывается скорость изменения угла курса путем анализа разницы скоростей вращения колес, определяемой датчиком скорости вращения колеса, что обеспечивает вспомогательную коррекцию для навигации транспортного средства по направлению движения.Датчики скорости вращения колес косвенно вычисляют скорость изменения угла поворота (т.е. угловой скорости), измеряя разницу скоростей между левым и правым колесами (разницу скоростей вращения колес), и их основной принцип основан на кинематической модели транспортного средства. Его преимущество заключается в высокой производительности в реальном времени и отсутствии кумулятивной ошибки, но он ограничен проскальзыванием, изменением параметров шин и т. д. В практических системах для повышения устойчивости необходима интеграция данных с нескольких датчиков (таких как инерциальная навигационная система, GPS).    

Рисунок 1. Источник питания BUC.Как правило, при проектировании асинхронного понижающего источника питания между выводами SW и BOOT микросхемы подключается бутстрепный конденсатор, например, C1 на рисунке 1. Бутстрепный конденсатор использует свойство, заключающееся в том, что напряжение на нем не может резко изменяться. Когда на конденсаторе поддерживается определенное напряжение, при увеличении напряжения на отрицательном выводе конденсатора напряжение на положительном выводе остается на исходном уровне разности напряжений на отрицательном выводе, тем самым увеличивая управляющее напряжение.Рисунок 2. Схема внутренней структуры микросхемы Buck.Микросхема понижающего преобразователя, показанная на рисунке 2, состоит из двух NMOS-транзисторов, которые попеременно проводят ток комплементарно. Общее входное напряжение VIN подается через внутренний стабилизатор напряжения, который выдает низкое постоянное напряжение Vb для зарядки Vboot. Этот внутренний стабилизатор напряжения обычно представляет собой источник питания с низким падением напряжения (LDO). Во время работы микросхемы понижающего преобразователя, когда нижний MOSFET Q2 включен, напряжение на выводе SW равно 0. Выходное напряжение LDO Vb заряжает бутстрепный конденсатор C1, который затем протекает через диод D1, а затем через нижний MOSFET Q2. Напряжение на конденсаторе приблизительно равно Vb, и напряжение на выводе BOOT теперь равно Vb. Когда нижний MOSFET Q2 выключен, а верхний MOSFET Q1 включен, напряжение на выводе SW возрастает с 0 В до VIN. S-полюс нижнего MOSFET Q2 напрямую заземлен. Пока на G-полюсе присутствует высокий уровень выходного напряжения (>Vth), нижний MOSFET Q2 будет включен. Напряжение на S-полюсе верхнего MOSFET Q1 равно входному напряжению VIN. Для поддержания включенного состояния верхнего MOSFET Q1 напряжение управления затвором должно быть больше VIN + Vgs(th). Поскольку напряжение на конденсаторе в этот момент не может резко изменяться, напряжение на выводе BOOT повышается до значения, превышающего VIN (VIN + Vb). Конденсатор C1 подключен параллельно источнику питания блока управления верхнего MOSFET Q1, HS Driver. Бутстрепный конденсатор C1 разряжается, обеспечивая питание, а напряжение питания представляет собой разность напряжений на бутстрепном конденсаторе. Благодаря наличию бутстрепного конденсатора напряжение управления затвор-исток верхнего MOSFET Q1 удовлетворяет условию включения (Vgs > VIN + Vgs(th)), тем самым поддерживая включенное состояние верхнего MOSFET Q1. Пока напряжение между выводами BOOT и SW превышает пороговое значение BOOT UVLO, верхний MOSFET Q1 остается включенным. Когда напряжение на бутстрепном конденсаторе падает ниже порогового значения BOOT UVLO из-за разряда, верхний MOSFET Q1 выключается, а нижний MOSFET Q2 включается, периодически заряжая бутстрепный конденсатор и тем самым реализуя режим ШИМ-управления понижающего источника питания.

 Обнаружение вибрации промышленного оборудования стало ключевым компонентом профилактического обслуживания. Изменения в вибрационных сигналах могут отражать потенциальные неисправности, такие как износ подшипников, аномальное зацепление шестерен и дисбаланс ротора. MEMS-датчики (микроэлектромеханические системы), благодаря своим преимуществам миниатюризации, высокой чувствительности и низкой стоимости, постепенно вытесняют традиционные пьезоэлектрические датчики и становятся основной технологией для обнаружения вибрации. Ниже представлены основные области применения и технические характеристики MEMS-датчиков в системах обнаружения вибрации промышленного оборудования. 1. Основные сценарии применения (1) Мониторинг вращающихся механизмов в промышленном оборудованииДля промышленного оборудования, такого как двигатели, насосы, вентиляторы, компрессоры, редукторы, генераторы и турбины, MEMS-датчики вибрации могут обнаруживать вибрации, вызванные неравномерным распределением массы во вращающихся компонентах, а также вибрации, возникающие из-за смещения осей валов в местах соединений (включая параллельное и угловое смещение). При обнаружении неисправностей подшипников MEMS-датчики вибрации выявляют начальные повреждения в подшипниках качения или скольжения (такие как точечная коррозия, сколы, трещины и износ).(2) Мониторинг состояния и прогнозирующее техническое обслуживаниеMEMS-датчики вибрации имеют малые размеры и низкое энергопотребление, что делает их идеальными для установки на ответственное оборудование с целью непрерывного сбора данных о вибрации и обеспечения онлайн-мониторинга состояния. Анализируя изменения тренда, спектральные характеристики (такие как характерные частоты неисправностей), анализ огибающей и т. д. сигналов вибрации, можно обеспечить раннее предупреждение о отказах оборудования.(3) Обнаружение ударных и переходных процессовMEMS-акселерометры обладают широкополосной характеристикой отклика (отклик на постоянный ток) и могут обнаруживать такие события, как удар, столкновение и переходные вибрации, вызванные открытием и закрытием клапанов, которые могут привести к повреждению оборудования или указывать на потенциальные проблемы.2. Технические преимущества MEMS-датчиков (по сравнению с традиционными пьезоэлектрическими датчиками вибрации)  Сверхнизкая стоимость MEMS-датчиков является наиболее важным фактором, определяющим их широкомасштабное внедрение. Цена значительно ниже, чем у традиционных промышленных датчиков вибрации, что делает экономически целесообразным размещение большого количества датчиков на одном устройстве или в нескольких точках измерения. Чрезвычайно низкое энергопотребление MEMS-датчиков делает их идеально подходящими для беспроводных сенсорных сетей с питанием от батарей, обеспечивая длительную работу без технического обслуживания. MEMS-датчики имеют небольшие размеры и малый вес, практически не оказывая влияния нагрузки (массового эффекта) на измеряемый объект. Они отличаются гибкостью в методах установки, таких как склеивание и магнитное притяжение, что делает их особенно подходящими для небольших устройств или в условиях ограниченного пространства. 3. Потенциальные проблемы и важные меры предосторожности  Ограничение высокочастотной характеристики MEMS-датчиков является основным недостатком MEMS-датчиков в области обнаружения вибраций. Традиционные пьезоэлектрические датчики легко охватывают диапазон частот 10 кГц и даже выше (например, 40 кГц), в то время как промышленные MEMS-датчики обычно обеспечивают плоскую характеристику в диапазоне 3–10 кГц. Это снижает способность обнаруживать ранние отказы подшипников сверхвысокой скорости (характеристическая частота неисправности которых может быть высокой) или высокочастотных компонентов зацепления зубчатых передач и требует тщательного выбора моделей датчиков на основе характеристического частотного диапазона тестируемого оборудования. Кроме того, стандартные бытовые или промышленные MEMS-датчики обычно работают при температурах от -40 °C до +85 °C или +105 °C. Для некоторых промышленных условий (например, вблизи двигателей, турбин) могут потребоваться специализированные высокотемпературные MEMS-датчики (до +125 °C и даже выше) или меры изоляции. Пьезоэлектрические датчики обычно имеют более широкий диапазон выбора температур.4. Изделия на основе MEMS-датчиков вибрации MEMS-датчик вибрации ACM-1000 производства Micro-Magic Inc. разработан в соответствии с промышленными стандартами и использует технологию цифровой фильтрации для эффективного снижения шума измерений и повышения точности измерений. Подходит для различных областей применения, таких как вибрационные испытания, испытания на удар, испытания на сотрясение и т. д. Прибор ACM-1000 может напрямую выдавать данные о скорости, угле, амплитуде (смещении), частоте и температуре вибрации объекта по трем осям, а также определять наличие повреждений измеряемого объекта (мост, вентилятор, подшипник вращающегося оборудования, измерение вибрации и мониторинг в реальном времени), что упрощает анализ данных для пользователей. Например, датчики вибрации могут заблаговременно выявлять неисправности машин, вызванные поломками валовой системы (износ лопаток, динамический дисбаланс, неправильная центровка), неисправностями подшипников (повреждение подшипников, плохая смазка, столкновение подшипников, ослабление подшипников), неисправностями трансмиссии (износ шестерен, износ ремней, износ муфт, точечная коррозия и отслоение зубьев) и т. д., чтобы подавать сигналы тревоги и предотвращать дальнейшую работу машины в неблагоприятных условиях и причинение ей повреждений.Показатели производительности ACM-1000 ПараметрЭлементACM-1000Ось измерения X、Y、Z（необязательный） ТочностьСкорость вибрации1 мм/сУгол вибрации0,001°/сАмплитуда колебаний0,001 ммЧастота вибрации1 ГцТемпературная компенсация-40 ~ +85℃ДиапазонСкорость вибрации（0-50 мм/с），Угол вибрации（0 ~ 180°）Амплитуда колебаний（смещение 30 мм），Частота вибрации（1~100 Гц）Пропускная способность（3DB）500 Гц     Кроме того, компания Micro-Magic Inc. выпустила серии высокоточных акселерометров ACM-100, ACM-200 и ACM-300, предназначенных для различных сценариев применения и подходящих для множества отраслей промышленности, таких как вибрационные испытания, ударные испытания, мониторинг усталости и прогнозирование. Это позволяет клиентам гибко настраивать оборудование в соответствии с различными сценариями применения. Заключение  MEMS-датчики совершают революцию в области обнаружения вибрации промышленного оборудования благодаря своим существенным преимуществам в стоимости, низкому энергопотреблению, малым размерам и простоте цифровой интеграции. Они значительно снижают порог для мониторинга состояния и прогнозирующего технического обслуживания, делая возможным непрерывный мониторинг более широкого спектра устройств и большего количества точек измерения, особенно в анализе вибрации в средне- и низкочастотном диапазоне (например, дисбаланс, несоосность, преждевременный выход из строя подшипников, ослабление креплений и т. д.) и в создании крупномасштабных беспроводных сетей мониторинга.ACM-100ACM-300ACM-1000  

Датчики и приборы имеют диапазон рабочего напряжения, и только в пределах этого диапазона система может работать стабильно и надежно. Мы знаем, что порог высокого напряжения можно контролировать с помощью схемы защиты от перенапряжения, но как определяется порог низкого напряжения? В источниках питания обычно используется решение типа понижающего преобразователя (BUCK) + низковольтный преобразователь (LDO). Минимальное рабочее напряжение устанавливается функцией UVLO (блокировка при пониженном напряжении) схемы понижающего преобразователя, которая действует как «защитный механизм». Это гарантирует, что система работает только тогда, когда входное напряжение выше напряжения UVLO, предотвращая нестабильность в последующих источниках питания и потенциально вызывая сбои в работе системы из-за чрезмерно низкого входного напряжения.Блокировка при пониженном напряжении (UVLO) — это механизм защиты цепи, который контролирует входное напряжение системы. Когда входное напряжение падает ниже установленного порогового значения, UVLO отключает выходное напряжение источника питания, предотвращая нестабильность системы, повреждение компонентов и даже угрозу безопасности, вызванную недостаточным напряжением.Конструкция с двойным порогом UVLOПорог запуска (V_START): Когда входное напряжение повышается до этого значения, схема начинает работать (например, 6,5 В).Порог отключения (V_STOP): Когда входное напряжение падает до этого значения, схема прекращает работу (например, до 5 В). Напряжение гистерезиса (HYS): Это предотвращает частые переключения, вызванные колебаниями напряжения вблизи порогового значения (например, после запуска при 6,5 В напряжение должно упасть до 5 В перед отключением).В качестве примера рассмотрим микросхему понижающего преобразователя напряжения TPS54561 от TI. Функция защиты от пониженного напряжения (UVLO) реализована через вывод EN. Внутренняя структура включает два ключевых модуля: ① Компаратор напряжения: Он определяет напряжение на выводе EN относительно внутреннего порогового значения (типичное значение V_ENA = 1,2 В). ② Источник гистерезисного тока: Он обеспечивает гистерезисный ток Ihys = 3,4 мкА для предотвращения частых переключений, вызванных колебаниями напряжения.Согласно технической документации, вывод EN микросхемы TPS54561 включает в себя подтягивающий источник тока I1 = 1,2 мкА, источник тока гистерезиса Ihys = 3,4 мкА и V_ENA = 1,2 В (пороговое значение вывода EN). Пороговое значение защиты от пониженного напряжения (UVLO) настраивается с помощью двух резисторов-делителей напряжения, как показано в следующей формуле:Метод настройки UVLO для TPS54561Используйте внешний резисторный делитель напряжения для регулировки напряжения запуска (V_START) и напряжения отключения (V_STOP) защиты от пониженного напряжения (UVLO):Начинайте, когда входное напряжение ≥ 6,5 В (добавляйте шаги 1-3 В к целевому выходному напряжению 5 В, в данном случае 5 В + 1,5 В = 6,5 В).Остановить работу, когда входное напряжение станет ≤ 5 В (поскольку целевое выходное напряжение составляет 5 В).Этапы расчета:Рассчитайте R1/R_UVLO1:R_UVLO1 = (V_START - V_STOP) / I_HYS = (6,5 В - 5 В) / 3,4 мкА ≈ 442 кОмРассчитайте R2/R_UVLO2:R_UVLO2 = (V_ENA * R_UVLO1) / (V_START - V_ENA + I1 * R_UVLO1) ≈ 90,9 кОмОкончательный результат показан на рисунке ниже:Функция UVLO выполняет функцию сторожевого устройства для системы электропитания, принимая решительные меры при возникновении отклонений от нормы напряжения, обеспечивая дополнительную защиту вашей системы электропитания!

 Чтение за одну минутуИнерциальная навигационная система на основе волоконно-оптических датчиков (FOG-SINS) использует волоконно-оптические гироскопы (FOG) и акселерометры для формирования твердотельного инерциального измерительного блока (IMU), который в реальном времени вычисляет параметры движения судна с помощью алгоритма инерциальной навигации. Благодаря своим значительным технологическим преимуществам, FOG-SINS стала основой нового поколения навигационных систем в области морских судов.Применение FOG-SINS в области морских судов в основном проявляется в навигации судов, управлении подводными аппаратами и многолучевых измерениях. Его основные преимущества — высокая точность, высокая надежность, высокая помехоустойчивость, автономная навигация, отличные динамические характеристики и хорошая адаптивность к окружающей среде.СудоходствоСистема FOG-SINS может предоставлять непрерывную и автономную информацию о положении судна, курсе, ориентации (крен, тангаж), скорости и ускорении для навигации. Инерциальная навигационная система на основе флюоресцентного оптического датчика (FOG-SINS) интегрирована с GNSS (GPS, Beidou и др.), одометрией (доплеровской/электромагнитной), компасом (магнитным/электрическим компасом) и т. д. (обычно с использованием фильтра Калмана) для формирования высокоточной и высоконадежной интегрированной навигационной системы. FOG-SINS обеспечивает критически важные навигационные возможности в случае помех, препятствий или сбоев в работе GNSS-сигнала (например, в каньонах, под мостами, в условиях радиоэлектронной борьбы). Система FOG-SINS также может предоставлять высокоточную информацию об ориентации корабельного оружия.Технические преимущества систем FOG-SINS в судоходстве:⚪Высокая точность и стабильность: стабильность нулевого смещения современных высокоточных волоконно-оптических гироскопов может достигать порядка 0,01°/ч или даже выше, а случайное смещение угла может достигать порядка 0,001°/√ч, что позволяет удовлетворять требованиям длительной высокоточной инерциальной навигации и значительно снизить скорость накопления ошибок позиционирования.⚪  Быстрый запуск и отклик, широкий динамический диапазон: короткое время запуска (значительно меньшее время предварительного нагрева, чем у механических гироскопов), быстрый динамический отклик и точное считывание резких маневров судна (например, аварийного управления и предотвращения столкновений). Способность измерять различные движения судна на скоростях от крайне низких до высоких. ⚪ Высокая адаптивность к окружающей среде и устойчивость к ударам и вибрации: относительно нечувствительна к изменениям факторов морской среды, таких как температура, влажность и солевые брызги (особенно после грамотного проектирования и компенсации), что обеспечивает высокую надежность. Полностью твердотельная конструкция (без механических вращающихся частей) обеспечивает высокую устойчивость к неизбежным ударам и вибрациям во время эксплуатации судна, гарантируя стабильную работу и длительный срок службы. Управление подводным аппаратом (AUV/UUV)Датчики FOG SINS, являясь основным компонентом системы управления подводным аппаратом, представляют собой ключевой датчик для автономной навигации подводных аппаратов в течение длительного времени и с высокой точностью в отсутствие сигналов GNSS под водой. Они предоставляют информацию о положении, ориентации, скорости и ускорении.Сочетание инерциальной навигационной системы (ИНС) на основе флюоресцентного тумана (FOG SINS), доплеровского лага (DVL), глубиномера, магнитометра (для помощи в определении курса), акустической системы позиционирования со сверхкороткой/длинной базовой линией (USBL/LBL), гравитационно-геомагнитной синхронной навигации и т. д. образует подводную интегрированную навигационную систему, значительно повышающую точность и надежность навигации. ИНС на основе флюоресцентного тумана (FOG SINS) является ядром и основой интегрированной навигации.Система FOG SINS обеспечивает высокоточную обратную связь в реальном времени по ориентации и курсу для системы управления автономными подводными аппаратами (такими как руль, подруливающее устройство, механизм регулировки ориентации), обеспечивая точную глубину, высоту, направление движения и выполнение сложных маневров (например, зависание и навигация с использованием донных датчиков). Она также обеспечивает стабильную опорную точку ориентации для таких полезных нагрузок, как гидролокаторы (боковой обзор, фронтальный обзор), камеры и роботизированные манипуляторы, гарантируя качество данных и точность работы. Технические преимущества FOG SINS в системах управления подводными аппаратами: ⚪ Полная автономность: независимость от внешних сигналов — ключ к достижению подлинно автономной навигации под водой.⚪  Высокая точность (особенно важна под водой): Высокоточная информация об ориентации и курсе имеет решающее значение для обхода препятствий под водой, отслеживания рельефа местности и выполнения точных операций. Хорошая стабильность нулевого смещения может увеличить время чисто инерциальной навигации под водой.⚪  Защита от помех магнитного поля: волоконно-оптические гироскопы основаны на оптических принципах и не подвержены влиянию сложного магнитного поля под водой (в отличие от магнитных компасов).  Многолучевая измерительная системаИнерциальные навигационные системы FOG могут обеспечивать компенсацию движения для многолучевых измерительных систем, что является наиболее важным применением инерциальных навигационных систем FOG в многолучевом измерении глубины. Они позволяют точно измерять и компенсировать в реальном времени изменения положения (крен, тангаж, рыскание) и вертикальные перемещения измерительного судна/платформы в момент измерения.Инерциальные навигационные системы FOG могут предоставлять точную информацию об угле курса и положении для многолучевой измерительной системы (обычно тесно связанной с GNSS), используемой для определения точного положения и направления гидроакустической антенной решетки в геодезической системе координат.Система FOG SINS может обеспечить точную временную привязку для всей измерительной системы (многолучевой эхолот, GNSS, датчики движения, профилограф скорости звука и т. д.).Технические преимущества FOG SINS в многолучевой измерительной системе:⚪ Сверхвысокие динамические характеристики и полоса пропускания: способность точно и быстро измерять и реагировать на высокочастотные движения судов/платформ (особенно на качку и раскачивание, вызванные короткопериодными волнами), что является ключом к получению высококачественных данных о рельефе морского дна. Его динамические возможности значительно превосходят традиционные вертикальные опорные блоки (VRU).⚪  Высокая точность позиционирования: точность позиционирования (особенно крена и тангажа) напрямую влияет на точность компенсации угла луча. Синхронные инерциальные навигационные системы (FOG SINS) могут обеспечивать субугловую компенсацию (

При проектировании высокоскоростных или высокочастотных печатных плат инженеры-электронщики используют принцип 20H для соответствия стандартам электромагнитной совместимости и снижения электромагнитного излучения. Этот принцип требует смещения плоскости питания на 20H относительно плоскости заземления, где H представляет собой расстояние между плоскостью питания и плоскостью заземления. Это также служит для подавления излучения на краях платы. Электромагнитные помехи распространяются наружу по краям платы. Смещение плоскости питания назад позволяет проводить электрическое поле только в пределах плоскости заземления, что эффективно улучшает электромагнитную совместимость. Подложка с шагом 20H может ограничивать 70% электрического поля краем заземления; подложка с шагом 100H может ограничивать 98% поля.Плоскость заземления должна быть больше плоскости питания или сигнала, чтобы предотвратить внешние помехи от излучения и защитить плоскость заземления от внешних воздействий. Как правило, смещения плоскости питания на 1 мм относительно плоскости заземления во время проектирования печатной платы достаточно для соблюдения принципа 20H. Для реализации принципа 20H мы обычно смещаем плоскость питания на 1 мм относительно плоскости заземления при разделении слоев. Затем внутри 1-миллиметровой подложки просверливаются экранирующие заземляющие переходные отверстия толщиной 150 мил каждое, как показано на рисунке 1.

Датчики угла наклона играют решающую роль в мониторинге мостов, в основном используются для измерения изменений угла наклона мостовых конструкций или их ключевых компонентов относительно направления силы тяжести. Эти незначительные изменения часто являются важными индикаторами состояния, реакции на нагрузку, осадки фундамента или потенциальных заболеваний мостовых конструкций.1. Основные сценарии применения→Мониторинг наклона опор/башен мостаНеобходимо контролировать наличие медленной и неравномерной осадки фундамента опоры моста, которая может привести к наклону опоры. Использование датчиков наклона для непрерывной регистрации изменений угла в течение длительного времени позволяет получать данные о тенденциях. Мониторинг изменений вертикальности или заданных углов в режиме реального времени во время строительства опор/башен моста обеспечивает точность строительства.→ Мониторинг смещения и вращения подшипниковКонтролируйте угол поворота мостового подшипника под фактической нагрузкой. Аномальные изменения угла поворота могут указывать на старение, поломку или ненормальные ограничения подшипника. Измеряя относительный угол наклона между верхней и нижней пластинами подшипника в сочетании с конструктивными параметрами подшипника, можно косвенно рассчитать перемещение скольжения подшипника.→ Мониторинг выравнивания и деформации главной балкиХотя для прямого измерения прогиба обычно используются датчики перемещения или нивелиры, установка инклинометров в определенных местах (например, в середине пролета, на вершинах опор) позволяет отслеживать изменения угла поворота в поперечных сечениях балок. Интегрируя эти угловые измерения с геометрическими параметрами балки (такими как длина), можно рассчитать относительную тенденцию прогиба в этих точках относительно опорных точек. Этот подход особенно ценен для долговременного мониторинга состояния конструкций и для мостов с большими пролетами.→ Мониторинг деформации кабельных вышек/дуговых ребер:Этот процесс позволяет с помощью инклинометров отслеживать угловые изменения в опорах вантовых мостов или ребрах арочных мостов под нагрузкой, оценивая их общую структурную устойчивость и деформационное состояние.2. Преимущества MEMS-датчиков наклона в системах мониторинга мостов.MEMS-датчики наклона имеют небольшие размеры, малый вес, легко устанавливаются на конструктивных поверхностях или встраиваются в определенные части, оказывая минимальное воздействие на саму конструкцию; MEMS-датчики наклона имеют низкую стоимость и более низкую удельную цену по сравнению с традиционными высокоточными наклонометрами или волоконно-оптическими датчиками, что делает экономически целесообразным развертывание сенсорных сетей в больших масштабах и с высокой плотностью, тем самым обеспечивая получение более полной информации о состоянии конструкции; MEMS-датчики наклона имеют низкое энергопотребление и особенно подходят для беспроводных сенсорных сетей, питающихся от батарей или собирающих энергию, что позволяет осуществлять долгосрочный беспилотный мониторинг. MEMS-датчики наклона легко интегрируются и оцифровываются, обычно выдавая цифровые сигналы напрямую (например, I2C, SPI, RS485), что делает их удобными для интеграции с устройствами сбора данных и беспроводными модулями передачи для создания автоматизированных систем мониторинга; MEMS-датчики наклона легко устанавливаются, и процесс установки относительно прост, обычно требуется только фиксированное основание или магнитное притяжение. MEMS-датчики наклона обладают высокими динамическими характеристиками, а некоторые высокопроизводительные MEMS-датчики имеют достаточную полосу пропускания для мониторинга динамического отклика конструкций (например, изменения наклона, вызванные вибрацией).Ключевые аспекты примененияДля мониторинга мостов обычно требуется высокая точность (лучше 0,01° или даже 0,001°) и стабильность. Несмотря на постоянное развитие технологии MEMS, её долговременный дрейф и температурная чувствительность остаются проблемами, особенно при работе с высокоточными приложениями. Необходимо тщательно выбирать модели датчиков, отвечающие требованиям точности, и учитывать температурную компенсацию и стратегии регулярной калибровки.Деформация мостовых конструкций обычно не сильно меняется по углу (часто в диапазоне от нескольких десятых до нескольких градусов), но датчики должны обладать высоким разрешением и высокой линейностью в небольшом диапазоне. В то же время необходимо учитывать и большие углы, которые могут возникать при экстремальных явлениях (таких как сильные землетрясения).Датчики должны выдерживать резкие перепады температуры, влажность, вибрацию и возможные электромагнитные помехи в условиях моста. Необходимо выбрать упаковку промышленного класса или усиленную упаковку.Измерение угла наклона относится к углу между корпусом датчика и направлением силы тяжести. Поэтому плоскостность, стабильность и жесткое соединение поверхности установки датчика с измеряемой конструкцией имеют решающее значение. Любая незначительная деформация или ослабление крепления на поверхности установки напрямую повлияют на результаты измерения.Вариант использованияКомпания Micro-Magic Inc. разработала серию MEMS-датчиков наклона для удовлетворения потребностей различных сценариев применения. В серию входят серии 70, T700 и T7000. Все серии продукции основаны на промышленных стандартах проектирования и охватывают как одноосевые, так и двухосевые датчики наклона. Выходной сигнал включает цифровые и аналоговые (ток, напряжение) выходы. Точность измерения находится в диапазоне от средней до высокой. Все продукты поддерживают или могут быть адаптированы для работы с протоколами связи RS232/RS485/RS422/TTL/CAN/MODBUS.Компания Micro-Magic Inc. также выпустила серию одноплатных датчиков наклона, которые удобны для интеграции клиентами в собственные системы.Для особых случаев, связанных с мостами и плотинами, компания Micro-Magic Inc. также выпустила серию беспроводных датчиков наклона. Работающие от литиевых батарей и основанные на технологии IoT Bluetooth и беспроводной передаче данных Zigbee (опционально), они позволяют избежать ограничений в применении, вызванных проводным подключением. Заключение:MEMS-датчики наклона, благодаря своим уникальным преимуществам, обеспечивают экономичный, эффективный и простой в развертывании метод локального углового мониторинга для контроля состояния конструкций мостов. Они играют решающую роль в мониторинге таких параметров, как наклон опор, вращение опор и тенденции деформации главных балок, особенно подходят для крупномасштабного развертывания и долгосрочного автоматизированного мониторинга. С развитием технологий и улучшением возможностей обработки данных их применение в мониторинге мостов станет более глубоким и интеллектуальным.Т700-АТ700-БТ7000-Дж