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Laser Distrometer

Team: Matthias Glanz, Dominik Koukola

Das Ziel der Diplomarbeit war es ein Laserdistrometer mit integrierter Ethernet- und USB-Schnittstelle zu entwickeln. Ein Laserdistrometer ist ein Messgerät, das die Größe und Geschwindigkeit von fallenden Hydrometeoren (Regen, Schnee, Graupel und Hagel) misst. Um die fallenden Hydrometeore messen zu können wurde mit Hilfe eines horizontal polarisierten Lasers ein Laserband erzeugt, welches von einer Konvexlinse parallel gerichtet wird. Dieses parallele Band trifft auf einen CCD (Charge Coupled Device) Zeilen-Sensor, der die Lichtinformation in elektrische Signale umsetzt.

Wir haben den TSL210 Sensor von TAOS (Texas Advenced Optoelectronic Solutions) gewählt. Wenn ein Hydrometeor durch das Laserband fällt, wird eine bestimmte Anzahl von Pixeln der CCD Zeile abgedunkelt und die Größe des Hydrometeors kann bestimmt werden. Für die Analog-Digital-Wandlung verwenden wir den ADS822 ADC von Burr Brown. Anschließend werden die vom ADC gelieferten Daten in einem FPGA (Field Programmable Gate Array) verarbeitet. Dies erlaubt schnelle parallele Datenverarbeitung.

Das Modul GODIL50_XC3S500E von OHO Elektronik wurde ausgewählt, weil es über standardisierte 2,54mm Buchsenleisten verfügt und mit bereits an der Schule vorhandenen Programmiergeräten programmiert werden kann. Die verarbeiteten Daten werden vom FPGA über eine serielle Schnittstelle übertragen.

Das von einem anderen Diplomanden (Stefan Heiderer) entwickelte ARM Minimalsystem dient als Basis für die USB- und Ethernet- Verbindung. Der ARM Prozessor empfängt die Daten des FPGAs, speichert diese und stellt sie anschließend über USB und Ethernet zur Verfügung. Die Datenverarbeitung unterscheidet Regentropfen, Schneeflocken, Graupel Körner und Hagel Körner aufgrund der charakteristischen Größen und Geschwindigkeiten. Die ADCs liefern Daten, die von unserem Auswertealgorithmus im FPGA verarbeitet werden. Die serielle Kommunikation zum ARM Minimalsystem funktioniert problemlos und die Ergebnisse werden übertragen.

Das Kommunikationsmodul sendet Daten über die Ethernet Schnittstelle wenn dies manuell oder automatisiert vom Datenbankserver verlangt wird. Einstellungen und Systemparameter können über die USB Schnittstelle geändert werden, die physischen Zugriff auf das Gerät voraussetzt. Die Daten können aus der Ferne über das Netzwerk abgerufen werden, eine Änderung von Einstellungen ist auf diesem Weg jedoch nicht möglich.

Abschließend werden die Daten grafisch dargestellt, um dem Betrachter einen schnellen Überblick über die gelieferten Resultate zu ermöglichen. Das Design mit der Analog-Digital Umwandlung, anschließenden Verarbeitung im FPGA und USB- und Ethernet-Schnittstelle kann für zukünftige Projekte leicht als Referenz herangezogen werden.

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