Эхолот. Окончательный вариант.Эхолот. Окончательный вариант.
 Программа обработки измерений Geolot.
На сегодня (март 2023 г) проведены серьёзные испытания прибора, разработанного в разделе "Эхолокатор для грунта. Разработка" и по результатам испытаний его материальная часть (железо) существенно доработана.
Пока проводились испытания, китайцы выпустили плату ESP32-S2 Mini, полностью заменяющую плату ESP8266 D1 Mini V3, точно такую же по габаритам, но имеющую в два раза больше выводов. В отличие от платы ESP8266, все выводы можно использовать. Кроме того, функциональность платы резко увеличена. Внешний вид платы показан на рисунке 1.
Рис. 1. Внешний вид платы ESP32-S2 Mini.
На Али Экспресс обнаружено два варианта чипов на плате:
ESP32-S2FH4, имеет 4 MB ПЗУ, рабочая температура, ℃: – 40 ∼ 105 и
ESP32-S2FN4R2, имеет 4 MB ПЗУ, 2 MB ОЗУ, но диапазон ℃: – 40 ∼ 85.
Первая не имеет встроенной оперативной памяти. Чтобы различить платы, необходимо прочитать надпись на чипе. Нам нужна плата ESP32-S2FN4R2. Первые платы с чипом ESP32-S2FN4R2 отличались тем, что надписи «S2» и «V1.0.0» сделаны на белом фоне, как на рисунке 1. Последние платы совершенно не различимы. Лучше покупать у продавцов, которые имеют обе платы и предлагают выбрать одну из двух. Или прочитать отзывы и убедиться, что продавец присылает "правильную" плату.
Замена платы ESP8266 на ESP32-S2 Mini позволила сократить схему излучателя до минимума. Все задачи по формированию пачек импульсов перетекли в эту плату. Кроме того, достаточное количество выводов позволило убрать сдвигающий регистр с платы сопряжения приёмника.
Появилась возможность полностью отказаться от Устройства Управления и использовать вместо него телефон или планшет. Но опыт работы с изделием показал, что тогда возникают проблемы при длительной эксплуатации в полевых условиях. Батарей в Устройстве Управления хватает на гораздо большее время, чем в телефоне. Их можно быстро заменить, а к телефону как минимум придётся подключать Powerbank, который будет потяжелее телефона. Поэтому решено сначала разработать изделие с Устройством Управления, а после полного завершения разработки добавить возможность работы с телефоном как дополнительную функцию.
Увеличенное количество выводов позволило построить на плате ESP32-S2 и Устройство Управления, без участия Ардуино, что, кроме удешевления и упрощения схемы, приводит к снижению потребляемой мощности Устройства Управления. Количество выводов до необходимого увеличено ещё и применением сдвигающих регистров. Но это копейки по сравнению с применением Ардуино. Исключена необходимость промежуточной передачи информации с Ардуино на WEMOS и обратно. Благодаря более высокой производительности и дополнительных ресурсов платы ESP32-S2 Mini по сравнению с Ардуино, увеличилась скорость обработки информации и появилась возможность существенно увеличить глубину её обработки.
Самое главное, - программа, написанная для ESP8266 в среде Ардуино, легко адаптируется для ESP32-S2 в той же среде. То есть, самая трудоёмкая часть работы не пропала даром. А вот если пользоваться Visual Code, придётся многое переписывать и дописывать.
И ещё одно существенное замечание. Плата определяется в версиях Windows 10 и новее. В более старых версиях компьютер не видит плату и, соответственно, не показывает порт, к которому она соединена. То есть, запрограммировать плату невозможно.
В первую очередь доработаны схема и конструкция Исполнительного Устройства. С него и начнём.
Здесь я сразу хочу принести извинения за отклонения от ГОСТ при рисовании схем в части обозначения штырей (XT) и розеток (XS). Зачастую при рисовании схем я не знаю, что будет стоять на плате, штыри или розетки, и что будет в ответной части, поэтому все контакты обозначаю изначально как штыри (XT). Далее при описании монтажа, где необходимо, делаю пояснения, что где устанавливается. Для меня это проще, чем перелопачивать документацию по факту изготовления изделия.
1. Исполнительное Устройство.
Схема Исполнительного Устройства приведена на рисунке 2.
Рис. 2. Схема Исполнительного Устройства.
От предыдущего варианта отличается отсутствием сдвигающего регистра. Количество проводов, соединяющих плату расширения с платой излучателя, уменьшилось до пяти. Кроме того, поскольку платы у нас односторонние, а выводов добавилось много, узел сопряжения устройства HW-612 выполнен на отдельной плате, которая соединяется непосредственно с платой ESP32-S2, минуя плату расширения приёмника. Аналогом HW-612 является GY-91. Платы совершенно одинаковые. Но по отзывам на Алиэкспресс, бОльшая часть из них не имеет магнитометра. У меня из трёх плат только одна имеет акселерометр, гироскоп и датчик давления. Две имеют только акселерометр и гироскоп. к HW-612 претензий нет, но в последний раз я с большим трудом нашёл его на Алиэкспресс.
Поскольку минимальный уровень логической единицы входов A0R и A1R приёмника равен 3,5 В, а плата ESP32 питается напряжением 3,3 В и такого уровня обеспечить не может, для этих цепей сделаны преобразователи уровня на транзисторах VT1 и VT2.
По результатам испытаний в плату добавлены разъёмы XT2, XT3 и XT10. При пользовании прибором хочется, чтобы некоторые кнопки были не на Устройстве Управления, а на Исполнительном Устройстве.
1.1. Излучатель.
Схема излучателя приведена на рисунке 3.
Рис. 3. Схема излучателя.
Как видим, осталось только то, с чем не может справиться процессор. Это транзисторы в цепях высокого для микроконтроллера напряжения VT1 - VT4 и драйвер DA2. Микросхему DD1 можно было не ставить, но тогда процессору пришлось бы заниматься импульсами во всё время работы излучателя. А ему надо обрабатывать принятый сигнал. При наличии DD1 процессор просто забрасывает во внутреннюю, аппаратно реализованную схему формирования ШИМ, частоту FO и длительность стробирующего импульса STR, определяющую количество импульсов в пачке, после чего сразу приступает к обработке принятого сигнала, практически одновременно с появлением первого импульса на излучателе.
Заметим, что такое упрощение схемы без сильной загрузки процессора стало возможным благодаря применению ESP32 с его уникальной архитектурой.
Вместо маломощного преобразователя 12 В – 24 В HW-668 применён более мощный XL6009E1, потому, что маломощные два раза сгорали.
Временная диаграмма работы схемы приведена на рисунке 4.
Рис. 4. Временная диаграмма работы схемы излучателя.
Расположение проводников на печатной плате излучателя приведено на рисунке 5.
Рис. 5. Расположение проводников на печатной плате излучателя.
Расположение элементов показано на рисунке 6.
Рис. 6. Расположение элементов на печатной плате излучателя.
Транзисторы VT2 - VT4, диоды VD4, VD5, резистор R15, конденсатор C13 и преобразователь напряжения 12-24 В расположены с тыльной стороны платы.
Перемычка между 5 и 13 выводами микросхемы DD1 устанавливается со стороны монтажа, прямо на микросхеме. Остальные - с обратной стороны платы.
SMD-резисторы, кроме R5, и SMD-конденсаторы, за исключением C1, типоразмера 1608 (0603). R5 - три параллельно соединённых резистора типоразмера 3216 (1206), используются в качестве предохранителя. SMD-перемычки (000) - типоразмера 3216 (1206) (у меня их много и много в старых платах), но легко устанавливаются и типоразмера 2012 (0805). Типоразмеры указаны в метрической системе, а в скобках - в дюймовой.
Штыри XT3 – XT6 используются при наладке. Их можно не устанавливать.
На рисунке 7 показан монтаж трансформатора и резисторов R17, R18. Их назначение – ускорить затухание колебаний после прекращения передачи пачки импульсов.
Рис. 7. Монтаж трансформатора и резисторов R17, R18.
Внешний вид собранной платы со стороны пайки приведён на рисунке 8, со стороны монтажа – на рисунке 9.
Рис. 8. Внешний вид платы излучателя со стороны пайки.
Рис. 9. Внешний вид платы излучателя со стороны монтажа.
На рисунке 10 показано подключение разъёма излучателя к плате излучателя.
Рис. 10. Подключение разъёма излучателя к плате излучателя.
Внешний вид излучателя в сборе, как он выглядит внутри внешней трубы, показан на рисунке 11.
Рис. 11. Внешний вид излучателя в сборе.
Жгута, соединяющего плату излучателя с платой расширения приёмника ещё нет. От него есть только розетка на 5 контактов.
Схемы жгутов, присоединяемых к плате излучателя, показаны на рисунке 12. Там же указана их длина.
Рис. 12. Схемы жгутов, присоединяемых к плате излучателя.
Внешний вид разъёмов в жгутах, за исключением XP1 в нижнем жгуте, виден на рисунке11.
XP1 в нижнем жгуте сделан из угловых штырей.
Плата излучателя проверена. Работает без нареканий. Схема в нормальном разрешении, сборочные чертежи, PDF-файлы для ЛУТ и для платы-подложки можно скачать одним архивом IZL.zip. При печати PDF-файлов установить опцию "реальный размер"
1.2. Приёмник
К приёмнику претензий не возникало. Его схема, показанная на рисунке 13, не изменилась.
Рис. 13. Схема приёмника.
А печатная плата немного изменилась. Устранены некоторые неприятности, обнаруженные при сборке опытных образцов. Сборочный чертёж печатной платы приёмника приведён на рисунке 14.
Рис. 14. Сборочный чертёж печатной платы приёмника.
Микросхема DA3, расположенная с тыльной стороны платы, повёрнута на 180 градусов. Это позволяет впаивать её непосредственно в плату, без переходных штырей. В связи с этим появилась возможность впаивать штыри, соединяющие плату приёмника с платой роасширения как положено, с тыльной стороны платы и устанавливать плату приёмника в плату расширения приёмника деталями вверх.
В результате доработки разъёмы XT5 и XT6 поменялись местами.
Кстати, перемычки устанавливаются с тыльной стороны платы.
SMD-резисторы, и SMD-конденсаторы, за исключением конденсаторов ёмкостью 100 мкФ, типоразмера 1608 (0603). SMD-перемычки (000) предполагаются типоразмера 1608 (0603), но у меня их нет, пришлось использовать типоразмер 2012 (0805). Они прекрасно поместились. Типоразмеры указаны в метрической системе, а в скобках - в дюймовой.
Печатная плата выполнена на двустороннем стеклотекстолите. Все отверстия с обратной стороны зенкованы сверлом 2,5 мм. На одностороннем не пробовал, будет ли работать и не возбуждаться, не знаю. Тылльный слой фольги соединён с общим проводом в двух местах: с шестым выводом разъёма XT2 каплей припоя и с одиннадцатым выводом микросхемы DD6 через отверстие в плате.
Внешний вид собранной печатной платы приёмника со стороны пайки показан на рисунке 15, вид с обратной стороны – на рисунке 16
Рис. 15. Внешний вид собранной печатной платы приёмника со стороны пайки.
Рис. 16. Внешний вид собранной печатной платы приёмника с обратной стороны.
После сборки желательно проверить некоторые настройки платы.
Во-первых, проверить частоту фильтра. (Из-за разброса номиналов, в основном конденсаторов C16 и C18, частота фильтра может сместиться на 1 - 2 кГц). Для этого на вход необходимо подать сигнал с частотой 40 кГц и амплитудой 100 – 300 мкВ. Осциллограф подключить к выходу микросхемы DA6:8 (реально к выводу подключиться трудно, но на краю платы есть два диода и резистор, соединённые с выводом DA6:8). Уровень входного сигнала установить таким, чтобы на выходе DA6:8 сигнал имел амплитуду порядка 1 В. При этом ограничивающий усилитель, с выхода которого мы снимаем сигнал, работает в линейном режиме. Изменяя частоту сигнала, находим, при каком её значении выходной сигнал имеет максимум. Реально это диапазон порядка двух кГц. Его середина и есть частота, на которую настроен фильтр. Если частота выше 40 кГц, необходимо увеличить номинал резистора R24, если меньше, уменьшить номинал. Для примера, при проверке оказалось, что частота резонанса равна 38500 Гц. Подключение параллельно R24 резистора номиналом 9,1 кОм (общее сопротивление вместо 390 Ом стало равным 375 Ом) вернуло частоту к 40000 Гц.
Во-вторых, убедитесь, что уровень сигнала в контрольной точке, на разъёме XT8, при увеличении амплитуды входного сигнала до 10 мВ, достигает уровня 4 В и выше не поднимается. Если не достигает, скорее всего, Вы применяли активный флюс при пайке. Промойте плату под струёй горячей воды с применением средства для мытья посуды, а потом спиртом. Если не помогло, увеличьте номинал резистора R49.
После настройки плату желательно покрыть изоляционным лаком, в основном, для защиты от влаги в полевых условиях.
1.3. Плата расширения приёмника
Схема платы расширения распадается на две: собственно плата расширения, схема приведена на рисунке 17, и плата датчика HW-612, схема – на рисунке 18.
Рис. 17. Схема платы расширения приёмника.
Рис. 18. Схема платы датчика HW-612..
Расположение проводников и элементов на плате расширения приёмника показано на рисунке 19.
Рис. 19. Расположение проводников и элементов на плате расширения приёмника.
Четыре отверстия над конденсатором C5 предназначены для соединения общего провода и питания с таковыми на плате датчика HW-612. Со стороны монтажа платы вставляются, а со стороны пайки впаиваются П-образные проводники из лужёного провода, которые при установке платы HW-612 войдут в четыре отверстия, расположенные слева от конденсатора C7. После установки платы, их следует припаять.
Расположение проводников и элементов на плате датчика HW-612 показано на рисунке 20.
Рис. 20. Расположение проводников и элементов на плате датчика HW-612.
Ещё раз напоминаю, что перемычки устанавливаются с обратной стороны платы.
SMD-резисторы, и SMD-конденсаторы, за исключением конденсаторов ёмкостью 100 мкФ, типоразмера 1608 (0603). SMD-перемычки (000) типоразмера 3216 (1206) но подойдут и 2012 (0805). Типоразмеры указаны в метрической системе, а в скобках - в дюймовой.
Внешний вид платы расширения со стороны пайки показан на рисунке 21, со стороны монтажа – на рисунке 22.
Рис. 21. Внешний вид платы расширения со стороны пайки.
Рис. 22. Внешний вид платы расширения со стороны монтажа.
Внешний вид платы датчика HW-612 и самого датчика со стороны пайки показан на рисунке 23, со стороны монтажа – на рисунке 24.
Рис. 23. Внешний вид платы датчика HW-612 и датчика со стороны пайки.
Рис. 24. Внешний вид платы датчика HW-612 и датчика со стороны монтажа.
Внешний вид полностью собранной платы расширения приёмника показан на рисунках 25 и 26.
Рис. 25. Установка модуля ESP32-S2 Mini.
Рис. 26. Вид сбоку.
Ближний к нам ряд контактов ESP32 проходит через плату расширения и входит в разъём на плате датчика. Датчик надет на штыри платы датчика посредством угловой розетки.
В таком виде плата в сборе не помещается в трубе 32 мм. Но помещается в её широкой части, как показано на рисунке 27.
Рис. 27. Вид на плату в трубе.
На рисунке показаны оси X и Y акселерометра и гироскопов. Программы будут писаться исходя именно из такого положения датчика HW612. Излучатель располагается справа, мы движемся вперёд по оси X. Ось Z направлена вверх. Это важно. Например, поднимаясь или опускаясь по склону холма, мы будем наклонять исполнительное устройство на себя и от себя. Это возможно, если излучатель расположен сбоку, а не впереди или сзади приёмника.
Оси магнитометра расположены иначе. Ось Z направлена в противоположную сторону, а оси X и Y меняются местами, Взаимное расположение осей показано на рисунке 28.
Рис. 28. Расположение осей акселерометра, гироскопа (вверху) и магнитометра (внизу).
Отдельно следует заметить, как надо впаивать штыри в плату ESP32. Если просто положить плату на разъём, вставить штыри и паять, они припаяются к розетке. Перед впаиванием штырей между платой и розетками необходимо проложить бумагу. Процесс впаивания штырей показан на рисунках 29 - 32.
Рис. 29. Исходные материалы.
Рис. 30. Вставляем штыри через бумагу в розетки.
Рис. 31. Обрезаем и пропаиваем штыри.
Рис. 32. Результат.
Внешний вид Исполнительного Устройства без труб, в которые будут вставлены приёмник и излучатель, показан на рисунке 33.
Рис. 33. Внешний вид Исполнительного Устройства без труб.
Внешний вид Исполнительного Устройства в сборе показан на рисунке 34.
Рис. 34. Внешний вид Исполнительного Устройства в сборе.
Платы проверены. Работают правильно. Исполнительное Устройство в сборе потребляет от источника питания ток от 120 мА, при 12 В на излучателе и четырёх импульсах в пачке, до 160 мА, при 24 В на излучателе и 16-ти импульсах в пачке.
Схемы в нормальном разрешении, сборочные чертежи и PDF-файлы для ЛУТ можно скачать одним архивом PR2.zip. При печати PDF-файлов установить опцию "реальный размер".
Скетч для ESP32-S2 Mini, расположенного в Исполнительном Устройстве, для связи со старой версией Устройства Управления, можно скачать по ссылке:S2_isp_V1.zip.
Таким образом, мы полностью обновили материальную часть (железо) Исполнительного Устройства, обеспечив его полную взаимозаменяемость с предыдущей версией. Осталось обновить Устройство Управления, после чего изделие станет пригодным для дальнейшего развития.
2. Устройство Управления.
Схема Устройства Управления приведена на рисунке 35.
Рис. 35. Схема Устройства Управления.
Устройство Управления резко упростилось. Из схемы полностью исключён Ардуино, все его функции возложены на ESP32-S2 Mini. Это, во-первых, избавило от необходимости вырезать прямоугольное отверстие в печатной плате, во-вторых, позволило применить более дешёвый и удобный дисплей и избавиться от промежуточной передачи данных от Ардуино на плату WiFi. Недостаток выводов, по сравнению с Ардуино Мега, скомпенсирован применением сдвигающих регистров DD1 – DD4.
Драйвер дисплея ILI9488. Если у Вас другой, его надо раскомментировать в файле User_Setup.h библиотеки дисплея, а этот закомментировать. Внешний вид дисплея приведён на рисунке 36.
Рис. 36. Внешний вид дисплея.
Одним из основных достоинств, повлиявших на выбор, является удобное расположение слота карты памяти (микроSD). Карту памяти можно вставлять и извлекать, не снимая дисплея. Почему-то не все производители дисплеев додумались до этого. Вторым достоинством является побайтная передача данных, более быстрая, по сравнению с передачей данных по интерфейсу SPI.
Сборочный чертёж печатной платы Устройства Управления со стороны монтажа показан на рисунке 37.
Рис. 37. Сборочный чертёж печатной платы со стороны монтажа.
Плата ESP32-S2 Mini вставляется в разъёмы XT1, XT2, XT5 и XT6, USB портом вниз. В качестве розеток используются панельки для микросхем с круглыми контактами, высотой 2,54 мм (бывают высотой 7 мм). Они гораздо ниже обычных розеток и позволяют разместить плату под дисплеем.
Дисплей вставляется в обычные розетки XT3, XT4, XT7 и XT8.
На местах XT9 и XT10 устанавливаются обычные розетки, которые служат направляющими для карты памяти и препятствуют её проваливанию внутрь при установке или извлечении.
В качестве резисторов R1 – R15 использованы резисторные сборки на 8 резисторов. При их отсутствии резисторы можно устанавливать вертикально.
Сборочный чертёж печатной платы Устройства Управления со стороны пайки показан на рисунке 38.
Рис. 38. Сборочный чертёж печатной платы со стороны пайки.
SMD-резисторы и конденсаторы использованы типоразмера 1608 (0603), кроме конденсаторов на 100 мкФ. В качестве перемычек использованы резисторы 000 типоразмера 2012 (0805), кроме трёх перемычек типоразмера 1608 (0603), расположенных слева от конденсатора C3. Между разъёмами. Типоразмеры указаны в метрической системе, а в скобках - в дюймовой.
Расположение проводников на обратной стороне платы показано на рисунке 39.
Рис. 39. Расположение проводников на обратной стороне платы.
Внешний вид собранной платы со стороны пайки показан на рисунке 40, а со стороны монтажа – на рисунке 41.
Рис. 40. Внешний вид собранной платы управления со стороны пайки.
Рис. 41. Внешний вид собранной платы управления со стороны монтажа.
На рисунке 42 показана передняя панель Устройства Управления.
Рис. 42. Передняя панель Устройства Управления.
Как видим, панель практически не изменилась. Добавлена кнопка "ЧТЕНИЕ" для перехода в режим чтения карты памяти вместо перегруженной кнопки "х6". Исправлены обозначения каналов, они приведены в соответствие со схемой.
Проверить плату можно, загрузив в контроллер скетч S2_UPR_test.zip и установив дисплей. Перед этм необходимо скачать и распаковать в каталог libraries библиотеку. TFT_eSPI-master и заменить в ней файл User_Setup.h файлом из архива со скетчем. После этого должны работать все примеры из библиотеки.
На дисплее должно появиться тестове изображение, как показано на рисунке 43:
Рис. 43. Тест платы Устройства Управления.
Плата полностью проверена. Работает Прилагаю документацию на её изготовление. Схемы в нормальном разрешении, сборочные чертежи, PDF-файлы для ЛУТ и для передней панели (прямой и зеркальный) можно скачать одним архивом Upr2.zip. При печати PDF-файлов установить опцию "реальный размер"
Скетчи для ESP32-S2 Mini, расположенных в Исполнительном Устройстве, и в Устройстве Управления, можно скачать по ссылке Esp_v2.zip. Необходимо скачать в Интернете и распаковать в каталог libraries библиотеку. TFT_eSPI-master и заменить в ней файл User_Setup.h файлом из архива со скетчем.
Изделие функционирует в соответствии с прежним Руководством по эксплуатации.
На этом этапе изделие функционально приведено к исходному опытному образцу. Излучатели и пульты управления опытного образца и нового изделия полностью взаимозаменяемы. И только теперь начинается дальнейшее развитие изделия. Разумеется, взаимозаменяемости больше не будет.
Вся дальнейшая работа будет заключаться в совершенствовании программного обеспечения. Этот процесс не имеет конца. Результаты промежуточных этапов совершенствования изделия буду выкладывать здесь по мере их получения.
=В.С.= 24 мая 2023 г
Доработка 1.
Подключение кнопки "Чтение", которой в опытном образце не было. Скетч для ESP32-S2 Mini, расположенной в Устройстве Управления, можно скачать по ссылке S2_UPR_V2_2.ZIP.
Функции у кнопки те же, что ранее были у кнопки "х6" в режиме чтения. И работает она, как и прежде, только в режиме записи. Кнопка "х6" была сильно перегружена и при выборе предела расстояния режим чтения часто выключался.
=В.С.= 24 мая 2023 г
Доработка 2.
Реализовано чтение всех четырёх каналов за время обработки одного импульса. Ранее на каждый импульс обрабатывался один канал. Пакет информации при каждом измерении на сегодня представляется измерениями отражений в четырёх каналах при трёх различных коэффициентах усиления. Итого на одно измерение требовалось подать 3 х 4 = 12 импульсов. пауза между импульсами составляет не менее 60 мс. Итого общее время измерения длится не менее 60 х 12 = 720 мс. Плюс время на передачу информации на Устройство Управления и её обработку на УУ. После доработки на весь пакет информации требуется всего три импульса, то есть, 3 х 60 = 180 мс. Это делает возможным в пакет информации ввести также измерения при трёх различных длительностях импульса. То есть, общее время измерения возрастёт до величины 180 х 3 = 540 мс, что всё равно меньше, чем было до доработки. Этим мы теперь и займёмся.
Скетчи для ESP32-S2 Mini, расположенных в Исполнительном Устройстве, и в Устройстве Управления, можно скачать по ссылке Esp_v3.zip. Необходимо скачать в Интернете и распаковать в каталог libraries библиотеку. TFT_eSPI-master и заменить в ней файл User_Setup.h файлом из архива со скетчем.
=В.С.= 5 июня 2023 г
Доработка 3.
Реализовано измерение отражений во всех четырёх каналах при всех трёх вариантах коэффициента усиления и при всех трёх вариантах длительности импульсов. Итого в пакете информации задействовано 1 х 3 х 3 = 9 импульсов. Реальное время измерения занимает около 1 сек.
Скетч для ESP32-S2 Mini, расположенной в Устройстве Управления, можно скачать по ссылке S2_UPR_V3_3.ZIP.
=В.С.= 6 июня 2023 г
^ ^ ^
3. Описание полученного изделия
На этом доработку опытного образца можно считать законченной. Все обнаруженные недостатки, в том числе косяки программы, устранены. Пора остановиться и проанализировать, что мы получили. (Об этом просят читатели).
Имеем изделие, состоящее из Устройства Управления с кнопками, светодиодами, дисплеем и картой памяти. и Исполнительное Устройство, состоящее из излучателя и приёмника ультразвуковых импульсов.
3.1. Излучатель может излучать пачки импульсов на частоте 40 кГц, содержащие 4, 8 или 16 одиночных импульсов. После каждой пачки импульсов излучатель продолжает звенеть примерно такое же время, какое имеет пачка. Длительность пачки и звона вместе определяют "мёртвое время", в течение которого измерения невозможны. Амплитуда импульсов в пачке возрастает с течением времени, и стремится к некой предельной величине. Пачка из 4-х импульсов обеспечивает минимальное мёртвое время и максимальную точность измерения, но амплитуда последнего импульса не достигает и половины предела. Эту длительность необходимо использовать, когда расстояние до объекта не велико. Пачка из 8-ми импульсов имеет в два раза большее мёртвое время, но амплитуда последнего импульса достигает величины, большей, чем половина предела. Пачка из 16-ти импульсов имеет максимальное "мёртвое время", в грунте маскируется расстояние порядка метра и более, но амплитуда последнего импульса практически достигает предела. С точки зрения роста амплитуды, дальнейшее увеличение количества импульсов в пачке бессмысленно.
Можно оценить влияние мёртвого времени на маскирование расстояния до объекта. Длительность пачки из 4-х импульсов составляет 100 мкс, плюс 100 мкс время звона, итого 200 мкс. При скорости звука в грунте порядка 2000 м/сек = 2000 мм/мс = 2 мм/мкс, за 200 мкс звук пройдёт расстояние s = 2 х 200 = 400 [мм]. Если учесть, что расстояние до отражающего объекта в два раза меньше, поскольку звук идёт до него и обратно, выясняем, что "мёртвая зона" пачки из четырёх импульсов равна
z4 = s/2 = 400/2 = 200 [мм] = 20 см,
соответственно, для 8-ми импульсов:
z8 = 2 х z4 = 2 х 20 = 40 [см],
а для 16-ти импульсов:
z16 = 2 х z8 = 80 [см].
Это теоретически. На практике мёртвая зона меньше для каналов с низкой чувствительностью и больше для каналов с высокой чувствительностью, что вполне объяснимо, но не будем углубляться в тему.
3.2. Приёмник должен обеспечить нормальное усиление сигнала от пьезодатчика в диапазоне от десятков микровольт до сотен милливольт. Несмотря на наличие каскада с логарифмическим усилением, напрямую обеспечить качественное усиление сигнала во всём диапазоне не представляется возможным. Для решения этой проблемы, в приёмник введён предварительный усилитель с изменяемым коэффициентом усиления, который программно может быть установлен на уровне х1, х6, или х36. Кроме того, выходной сигнал поступает на четырёхканальный дискриминатор уровней. Первый канал срабатывает при уровне сигнала на выходе усилителя, равном 0,2 В, второй - при уровне 1,0 В, третий - 2,5 В и четвёртый - при уровне 3,5 В. Поскольку коэффициент усиления усилителя нелинейный, благодаря наличию каскада с логарифмическим ограничением усиления, уровни дискриминатора выбраны так, чтобы переход с исходного уровня на следующий, происходил при увеличении уровня входного сигнала в 2,2 - 2,6 раза. Таким образом, четвёртый канал срабатывает при уровне входного сигнала в 12 - 15 раз большем, чем первый канал. Вместе с предварительным усилителем, общее изменение коэффициента усиления усилителя может составлять: 15 х 36 = 540 раз. А если учесть изменение амплитуды входного сигнала при изменении длительности примерно в 2,5 раза, общий динамический диапазон всей системы можно оценить как
D = 540 х 2,5 = 1350 раз.
Теперь становится понятно, почему важно было добиться получения пакета измерений при всех комбинациях длительности импульса и коэффициента усиления. Из полученного пакета некоторые измерения вообще не покажут наличия сигнала, а некоторые будут захламлены помехами. и только часть из них покажет чистую линию профиля измеряемого объекта. Вот с ними мы и будем работать дальше.
3.3. Порядок работы с прибором
3.3.1. Самый простой способ.
Устанавливаем излучатель с приёмником на грунт. Включаем автоматический перебор каналов и при различных комбинациях длительности импульсов и коэффициента усиления наблюдаем картинку на дисплее, показанном на рисунке 44.
Рис. 44. Просмотр информации на дисплее.
Цифры слева вверху показывают расстояние до объекта в метрах, внизу - отображаемый предел расстояний, в середине сверху - напряжение питания батареи УУ, снизу - напряжение питания батареи ИУ. При снижении напряжения до нижнего предела, цифры становятся красными.
Можно, как на рисунке, включить осциллограф кратковременным нажатием кнопки ЗАПИСЬ, Первым признаком наличия объекта в грунте является появление хотя бы на одном канале сплошной линии. В нашем примере видим на осциллограмме, что в режиме AUTO, при комбинации длительности пачки в 4 импульса и коэффициенте усиления х6 в трёх каналах имеются отражения от одной и той же точки. Импульсы на осциллограмме немного смещаются вправо в каждом следующем канале. Дело в том, что вследствие того, что усилитель имеет частотную избирательность, каждый импульс имеет довольно пологий фронт. Первым включается канал с максимальным усилением. Каждый последующий включается в момент, когда уровень сигнала достигнет порога его срабатывания. Надо понимать, что этот факт определяет точность измерения каналов. Менее чувствительные каналы могут немного завышать показания. Реально разброс показаний лт удалённых объектов может достигать 30 см. С близкими объектами всё в порядке. Отклонение может быть пару см.
В левом верхнем углу дисплея читаем расстояние в метрах до отражающего объекта. Записываем его в тетрадку и идём к следующей позиции.
Но не всегда всё так красиво. Иногда проще выбрать канал, который даёт самую чистую линию и работать с ним, как показано на рисунке 45.
Рис. 45.Работа с одним каналом.
Выбран канал L4 при длительности пачки в 8 импульсов и коэффициенте усиления 36..
3.3.2. Способ с записью на карту памяти.
Для записи измерений на карту памяти, необходимо перейти в режим записи путём длительного (более 0,7 сек) нажатия кнопки ЗАПИСЬ. Средняя линия между показаниями напряжений питания УУ и ИУ станет широкой и окрасится в красный цвет, как показано на рисунке 46.
Рис. 46.Работа в режиме записи.
Слева в верхней половине левого сектора экрана появится номер каталога, в который будут записываться показания прибора. В нижней части отобразится номер последнего записанного файла с результатами измерений. Прибор переходит в режим автоматического перебора каналов. Далее можно работать так же, как просто в режиме AUTO - включать и выключать осциллограф, устанавливать длительность импульса и коэффициент усиления. Как только обнаружился хотя бы один канал, в котором появилась непрерывная линия, кратковременно нажимаем правую кнопку AUTO. Прибор произведёт автоматический перебор всех комбинаций длительности импульса и коэффициента усиления и запишет показания всех четырёх каналов в следующий файл, номер которого отобразится вместо прежнего. Далее переходим на следующую позицию и проделываем то же самое. В один каталог можно записать не более 999 файлов.
В режиме записи можно длительным нажатием кнопки х1 переходить на каталоги с меньшим номером, а длительным нажатием кнопки х36 - на каталоги с большим номером. Можно открыть новый каталог длительным нажатием одновременно кнопок х1 и х36, максимальное количество каталогов на карте памяти - 999. Удалить последний файл в текущем каталоге можно длительным нажатием кнопки 4. Для удаления всех файлов в каталоге - длительно нажать кнопку 8. А для удаления каталога - длительно нажать кнопку 16. Каталог не может быть удалён, если в нём имеется хотя бы один файл. Кроме того, удалён может быть только последний каталог.
Для выхода из режима записи необходимо длительно нажать ту же кнопку ЗАПИСЬ.
Запись всегда рекомендуется производить при положении переключателя 12В - 24В в положении 24В. В процессе работы напряжение питания батареи 12В падает и мощность излучения тоже падает, что создаёт нестабильность в результатах измерений. Напряжение 24В стабильно и не зависит от напряжения батареи.
Переключатель ВОЗДУХ - ГРУНТ, не влияет на результат измерений. Он влияет только при выводе показаний. Естественно, при чтении измерений в грунте, он должен быть установлен в положение ГРУНТ.
3.3.3. Чтение информации с карты памяти.
В режим чтения можно перейти только из режима записи кратковременным нажатием кнопки ЧТЕНИЕ. При этом средняя линия слева приобретает зелёный цвет и выключается режим автоматического перебора каналов, как показано на рисунке 47.
Рис. 47.Работа в режиме чтения.
Перед выводом на дисплей информации необходимо вручную установить предел измерений, указанный слева внизу, до которого будет выведена информация. Измерения с расстояниями, больше предела, мы не увидим. Одновременное короткое нажатие кнопок х6 и х36 увеличивает предел, а одновременное короткое нажатие кнопок х1 и х6 уменьшает его. Все манипуляции с кнопками управления необходимо производить до включения каналов. При включённых каналах они не работают.
Нажатие кнопки одного или нескольких каналов одновременно приводит к выводу записанной информации на дисплей всех каналов, кнопки которых нажаты. Выключаются повторным нажатием кнопок. Кнопка AUTO выводит все каналы одновременно. И если в режиме измерения линия на дисплее показывала расстояние до одного и того же объекта, то здесь каждая точка показывает записанное расстояние. В результате на экране мы видим профиль пройденного участка. На приведённом примере наблюдаем ровную поверхность с ямой в середине.
В указанном режиме выводятся данные при всех записанных комбинациях длительности импульса и коэффициента усиления. Если теперь длительно нажать кнопку ЗАПИСЬ, средняя линия слева окрасится в синий цвет и прибор перейдёт в режим подробного чтения. Читаться будут только измерения, проведённые при установленных режимах длительности импульса и коэффициенте усиления. Например, на рисунке 48:
Рис. 48.Работа в режиме подробного чтения.
выведен канал L2, измеренный при длительности пачки в 16 импульсов и коэффициенте усиления х6.
В данном случае я выключил канал, когда выводился 299-й файл и картинка застыла. При следующем включении экран обновится и начётся вывод включённого канала. При достижении максимального файла экран обновляется и начинается вывод сначала.
Для возврата из режима подробного чтения в режим чтения, необходимо повторное длительное нажатие кнопки ЗАПИСЬ.
Для возврата из режима чтения в режим записи кратковременно нажимаем кнопку ЧТЕНИЕ.
Все операции с каталогами и файлами в режимах чтения доступны и не отличаются от таковых в режиме записи.
Войти в режим чтения информации можно, не включая Исполнительное Устройство. Для этого надо перед включением Устройства Управления нажать кнопку ЧТЕНИЕ и удерживать её до появления изображения на дисплее.
3.4. Недостатки полученного изделия и пути их усранения.
Самым серьёзным недостатком прибора является то, что реально работать с ним можно только записывая в тетрадку координаты каждой точки и результаты измерений. А потом вручную обрабатывать полученную информацию.. Или просто на месте оценить, что и на каой глубине находится под землёй. То, что записано в карту памяти, может, конечно, быть полезным для того, чтобы увидеть прфиль пройденного участка, но отчёта о работе по ним не сделаешь, потому, что неизвестно, где реально расположены точки, в которых производились измерения.
Для устранения отмеченных недостатков необходимо ввести в прибор ту самую микросхему с гироскопами, акселерометрами и магнитометрами, ради которой и проводилась доработка всего железа. Упрощение конструкции - чисто попутное действие.
Подключение этой микросхемы позволит построить трэкер, который свяжет между собой все точки измерения трёхмерными координатами. Более того, при каждом измерении будет определяться угол наклона Исполнительного Устройства, что позволит, покачивая его вперёд и назад просмотреть не одну точку, а и расположенные рядом, чтобы определить, как расположена отражающая поверхность в пространстве. Если в перспективе дополнить прибор GPS, определляя координаты начальных точек маршрутов, возможно написать программу, которая по результтатам множества измерений нарисует 3d картинку расположенного под землёй объекта. Но до этого надо ещё дожить.
Следующим этапом работы и будет создание трэкера для определения взаимных координат точек измерения.
=В.С.= 7 июня 2023 г
^ ^ ^
Доработка 4.
При калибровке магнитометра оказалось, что батареи, находящиеся рядом с платой HW-612, сильно искажают магнитное поле Земли. Для того, чтобы компас нормально работал, пришлось изменить конструкцию излучателя. Батареи вынесены в отдельную коробку и размещены за пределами трубы. Исполнительное Устрлйство при этом стало гораздо компактнее. Виды на доработанное ИУ с разных сторон приведены на рисунках 49 - 53.
Рис. 49. Вид на ИУ с тыльной стороны. Крышки батарей и приёмника сняты.
Видим новыую деталь - розетку на 4 провода. Это выведены контакты XT2 и XT3 (см. рис. 2). К ним будут подключаться выносные кнопки. На рисунке 50 показано, как жгут от этой розетки соединяется с розеткой XT2 и вилкой XT3 па расширительной плпте приёмника.
Рис. 50. Подключение жгута выносных кнопок к расширительной поате приёмника.
Рис. 51. Вид на ИУ с тыльной стороны. Крышки вставлены.
Рис. 52. Вид на ИУ с передней стороны.
Рис. 53. Вид на ИУ с верхней стороны.
=В.С.= 2 июля 2023 г
Доработка 5.
Подключена плата HW-612. С её помощью измеряются:
- угол наклона измерительного устройства относительно вертикальной оси,
- направление оси X относительно направления на север (компас),
- высота над уровнем моря (атмосферное давление).
Не удалось написать программу автоматического измерения расстояния между позициями. Для этого необходимо иметь доступ к внутреннему процессору микросхемы MPU9250. Как оказалось, для доступа к нему необходимо разрешение производителя в виде кода доступа. Понятно, что у меня его нет.
Для того, чтобы обойти эту неприятность, необходимо вводить расстояние вручную. Для этого в схему введена кнопка "Позиция". Предполагается, что перенос измерительной головки осуществляется на расстояние, кратное некоторому эталону. Например, у меня это посох, который имеет длину ровно 1 м и метку в середине, то есть, 0,5 м. К вершине посоха привязан шнур и для того, чтобы отмерить расстояние от текущей позиции к следующей, не приходится каждый раз наклоняться.
Перед началом измерений длительным нажатием кнопки "Позиция" обнуляем счётчик позиций. После перемещения измерительной головки на следующую позицию, если переместили на 0,5 м, нажимаем кнопку один раз, если 1 м, два раза, и так далее.
На каждой позиции можем производить несколько измерений под разными углами наклона. Это, во-первых, позволяет отсканировать из одной позиции несколько рядом стоящих точек отражения, повышая тем самым точность сканирования, во-вторых, как в моём случае, я отсканировал вершину объекта, предполагаемой пирамиды. Для того, чтобы узнать, вертикальна ли стена, идёт параллельно склону или представляет собой ряд ступеней, необходимо провести сканирование перпендикулярно поверхности склона холма, в горизонтальном и вертикальном направлениях. И при этом ничего записывать в тетрадку больше не требуется. Программа обработки нарисует все точки отражения с учётом позиций и углов наклона измерительной головки.
Кроме кнопки "Позиция" введены кнопки "Пуск", для запуска процесса измерений не с пульта управления, а с измерительной головки (пульт при этом можно спрятать) и кнопка "Старт", запускающая калибровку магнитометра (компаса) при коротком нажатии, или калибровку акселерометра, при длительном нажатии. Результаты калибровки - коэффициенты корректировки, записываются в энергонезависимую память и применяются при каждом последующем включении прибора. Как оказалось на проверку, калибровка акселерометра не работает. Ошибка в библиотеке. В процессе я решу, исправлять библиотеку, или найти другую. А пока я сам вычислил коэффициенты коррекции и ввёл их программно. Схема Исполнительного Устройства с кнопками приведена на рисунке 54.
Рис. 54. Схема Исполнительного Устройства с кнопками.
Скетчи для ESP32-S2 Mini, расположенных в Исполнительном Устройстве, и в Устройстве Управления, можно скачать по ссылке: Esp_v4.zip. В них строки вывода на монитор закомментированы. Если требуется отладка, те же скетчи с выводом на монитор, находятся здесь: Esp_v4_ser.zip. Прибор с этими скетчами работает в 1,5 раза медленнее.
Библиотек MPU9250.h я нашёл штук пять. Используется эта: https://github.com/Digital1O1/MPU9250/tree/master
=В.С.= 22 июля 2023 г
^ ^ ^
Доработка 6.
Подключена плата NEO-M8M - приёмник сигналов GPS. Вместо неё могут быть использованы аналогичные платы с другим названием. Были проверены платы NEO-8N и NEO-6M. Работают так же.
Поскольку выводы для подключения этой платы не были предусмотрены, пришлось припаяться к двум свободным выводам ESP-32, как это показано на рисунке 55. Ещё два провода - общий (земля) и питание +5 В.
Рис. 55. Подключение платы NEO-M8M.
Схема Исполнительного Устройства, отображающая это подключение, показана на рисунке 56.
| 