Software & Systems

Проведение экспериментальных исследований связано со сложными и трудоемкими процедурами сбора и обработки данных, с анализом полученной информации и построением моделей процессов и полей различной природы. Известно два подхода к обеспечению ввода аналоговых измерительных сигналов для последующей обработки с использованием цифровых методов. Один основан на применении специализированных комплексных систем, в состав которых входит аппаратура аналого-цифрового преобразования, микропроцессорные средства цифровой обработки и устройства преображения информации. Другой подход основан на применении интерфейсных устройств сбора данных и универсальных компьютерных систем.

К преимуществам второго подхода, основанного на применении дополнительных интерфейсных модулей и цифровых процессоров сигналов в составе персонального компьютера, можно отнести: гибкость измерительной системы в части реализации различных алгоритмов обработки; функциональ-ную полноту системы (решаются задачи ввода данных, обработки, управления, анализа, визуализа-ции, хранения измерительных данных и результатов анализа); хорошие метрологические характеристики и возможность тиражирования разработанных систем.

Во Владивостокском государственном университете на протяжении ряда лет ведутся работы по созданию информационно-измерительных комплексов для автоматизации научных исследований. Базовый подход при создании комплексов состоит в объединении информационных датчиков, аппаратуры сбора и цифровой обработки данных, а также средств программного обеспечения в единый многопроцессорный аппаратно-программный комплекс (МАПК). Базовым элементом МАПК является компьютер (архитектура ISA/PCI, с микропроцессором i486 или Pentium), который имеет интерфейсные ресурсы для подключения специализированных многоканальных устройств сбора данных и цифровой обработки сигналов.

Целевое назначение разрабатываемых МАПК – прием, сбор, обработка и анализ гидрофизической и виброакустической информации, создание баз экспериментальных данных и видеографического обеспечения. Основными особенностями полученных решений являются:

-  использование комплексной измерительной технологии, основанной на применении физико-информационных датчиков различной природы (акустические, оптические, магнитные);

-  обеспечение многоканальной параллельной регистрации и обработки собираемых данных;

-  объединение компьютера, аппаратных средств сбора и обработки сигналов, программного обеспечения в единую многопроцессорную информационно-вычислительную систему, позволяющую решать трудоемкие гидрофизические задачи в реальном масштабе времени;

-  создание инструментальных и интеллектуальных средств изучения процессов и явлений в графической среде с использованием комбинированных методов представления информации и технологии мультимедиа.

Рис. 1. Блок-схема информационно-вычислительного комплекса

Типовая структура аппаратного комплекса: измерительные датчики, блок подготовки аналоговых сигналов (усиление, полосовая фильтрация), устройство выборки и хранения, модуль аналого-цифрового преобразования и ввода/вывода данных, компьютер с системной шиной ISA, модуль цифрового процессора сигналов серии TMS320Cxx (рис. 1). МАПК проектируется как интерактивная система, так как управление, анализ данных и принятие решений требуют квалифицированных действий специалиста. Учтена также общая тенденция развития автоматизированных измерительных систем, связанная с улучшением метрологических характеристик, повышением быcтродействия и с развитием средств обмена между аппаратными модулями различного уровня.

Простой и эффективный способ реализации ввода аналоговых сигналов в персональный компьютер основан на применении специализированных интерфейсных плат (их называют также платами сбора данных), которые подключаются к разъемам расширения системной платы компьютера и размещаются внутри его корпуса. При выборе платы сбора данных целесообразно учитывать необходимый набор функциональных модулей для интегрированной системы ввода/вывода данных: АЦП, ЦАП, счетчики-таймеры реального времени, цифровые порты ввода/вывода, контроллер прямого доступа к памяти (ПДП), буферная память и т.д. Канал ПДП необходим для обеспечения требуемого частотного диапазона вводимых сигналов без потерь в отсчетах, поскольку основные ограничения обусловлены предельной скоростью передачи данных по системной шине компьютера. При вводе сигналов в режиме ПДП скорость обмена данными между платой сбора данных и оперативной памятью компьютера составляет 400-600 Кбайт в секунду (в зависимости от быстродействия компьютера), что при двухбайтных отсчетах обеспечивает полосу частот 200-400 Кгц. Для более полной оптимизации процесса ввода данных на максимальных скоростях используется чередование передачи данных по двум каналам ПДП. При вводе данных одновременно по нескольким каналам для обеспечения синфазности отсчетов обычно применяется внешний блок устройства выборки и хранения.

Частотный диапазон сигналов, количество параллельных информационных каналов и динамический диапазон сигналов на входе обусловливают технические требования к системе, которые являются основными исходными данными при выборе модуля сбора данных и разработке алгоритмов ввода многоканальных аналоговых сигналов в компьютер. В разработанном МАПК используется модуль сбора данных ADC12/200 [2] и модуль цифрового процессора сигналов DSP30 [3].

Технические характеристики при вводе данных в компьютер:

-  количество синхронных входных каналов (Nch)                                     – 16;

-  разрядность АЦП                                          – 12 бит;

- максимальная частота входных сигналов (ввод в режиме ПДП, процессор 486/50, жесткий диск с временем доступа 14 мс) F= 100000/Nch                                                     – ввод в ОЗУ, F= 700000/Nch                               – запись на жесткий диск;

-  время преобразования АЦП                               – 3 мкс;

-  динамический диапазон входного сигнала                                        – 60 дБ;

-  внешний или программный запуск сбора данных.

Технические характеристики модуля цифровой обработки сигналов:

·  быстродействие с процессором TMS320C30                                   – 40 MFlops;

·  быстрая статическая память – 256 Кбайт;

·  динамическая память                 – 512 Кбайт;

·  последовательный интерфейс                                  – 10Мбит/сек;

·  параллельный интерфейс – 40 Мбайт/сек;

·  интерфейс с персональным компьютером                                                     – ISA;

· системные программные средства для создания приложений реального времени.

Полученные показатели процессов при расчете быстрого преобразования Фурье (вещественный массив данных из 1024 отсчетов):

CPU 386/40 Мгц                                        – 50 мс,

CPU 486/50 Мгц                                        – 10 мс,

CPU 486DX-4/100 Мгц                             – 6 мс,

TMS320C30/33 Мгц                                  – 8 мс.

Структура системы обеспечивает выполнение следующих задач: автоматизированный синхронный ввод в компьютер сигналов, регистрируемых группой датчиков; обработка данных для изучения состояния физических объектов и исследования протекающих процессов. Другими задачами, решение которых представляет интерес, являются: генерирование аналоговых сигналов требуемой формы (для калибровки измерительных каналов и проведения модельных экспериментов), цифровая фильтрация записанных сигналов, создание базы экспериментальных данных и результатов анализа.

Разработанное программное обеспечение выполняет следующие функции:

¨настройка параметров и запуск процедуры сбора данных;

¨запись собираемых данных в оперативную память или на жесткий диск с отображением свойств регистрируемых сигналов или временного изменения параметров на экране дисплея;

¨выполнение калибровки передаточных характеристик физико-информационных преобразователей и входных аналоговых цепей;

¨графический пользовательский интерфейс со средствами функциональной помощи;

¨реализация вычислительных алгоритмов цифровой обработки сигналов и отображение результатов с использованием графических ресурсов компьютера;

¨обеспечение выполнения алгоритмов обработки данных в режиме получения оперативных оценок с использованием ресурсов цифрового процессора сигналов.

¨поддержка базы экспериментальных данных и результатов анализа.

В основу разработанного программного обеспечения положены следующие принципы: модульность, использование объектной метафоры в управлении, унификация связей, разделение программ управления, графической поддержки и обработки. Программное обеспечение разрабатывается с применением объектной технологии программирования (использовались инструментальные системы программирования Borland C++, Zortech C++, assembler) и работает под управлением MS DOS и MS Windows 3.1. База данных результатов экспериментов поддерживается в среде MS Access.

Алгоритм управления и программные средства ввода данных разрабатывались с учетом максимально возможной автоматизации. Процесс сбора данных (выбор требуемых каналов, установление частоты дискретизации аналоговых сигналов, коэффициентов усиления, выполнение аналого-цифрового преобразования, пересылка цифровых отсчетов в оперативную память компьютера, запись результатов на магнитный диск) реализован аппаратно-программными средствами, управляет которыми пользователь.

После записи данных на диск к выборке может быть применен необходимый набор операций предварительной цифровой обработки (сортировка, упаковка данных, сглаживание и удаление трендов).

Разработанные для ввода данных средства графической поддержки позволяют контролировать изменения сигналов на входе измерительной системы. Обеспечены три варианта графического представления сигналов: Осциллограф, Диаграмма, Полигон.

Режим Осциллограф предназначен для контроля регистрируемых сигналов в координатах амплитуда-время (по аналогии с многоканальным осциллографом) и измерения характерных временных интервалов. Для детального анализа участков сигнала предусмотрено использование электронной лупы для увеличения выбранного графического фрагмента с необходимым масштабом.

Режим Диаграмма предназначен для контроля характерных параметров регистрируемых сигналов в режиме реального времени.

Режим Полигон предназначен для обнаружения регулярных изменений входных сигналов и оперативной оценки доминирующих частот в спектре сигналов. При этом применяется нетрадиционная метафора для отображения информации – регулярным участкам сигнала соответствуют графические поля экрана дисплея с однородной палитрой. Это обеспечивает наглядность представления свойств сигналов в реальном масштабе времени.

В разрабатываемом программном комплексе предусмотрен режим калибровки элементов приемной (аналоговой) части системы. С учетом назначения программного комплекса задачей калибровки является определение комплексных коэффициентов передачи сквозных каналов приемной части системы сбора данных или отдельных модулей приемной части. Полученные в результате калибровки коэффициенты передачи записываются в служебные файлы с целью дальнейшего использования при выполнении анализа данных.

Разработанное программное обеспечение позволяет создавать модели цифровых сигналов, просматривать созданные модели и объединять их (складывать, вычитать и умножать). Многокомпонентные модели сигналов содержат детерминированные и случайные составляющие.

При выполнении физического эксперимента полезная информация всегда изложена высокочастотными флуктуациями, уровень которых зависит от условий эксперимента и природы сигналов. Одним из способов, обеспечивающих удаление таких шумов, является сглаживание данных. В программном комплексе реализованы два метода сглаживания (линейное и нелинейное), а также другие методы статистической обработки и оценки параметров – удаление тренда (фильтрация и подгонка многочлена), оценка плотности вероятности и корреляционных функций [1].

Программный комплекс позволяет рассчитывать следующие частотные характеристики: спектральную плотность мощности (СПМ), взаимный спектр и функцию когерентности. Реализованы классические алгоритмы оценки спектра, параметрические алгоритмы и метод MUSIC.

Для выполнения цифровой фильтрации сигналов разработана программа построения фильтров с конечной импульсной характеристикой с использованием метода аппроксимации по Чебышеву и алгоритма оптимизации Ремеза. Программа предусматривает построение следующих типов фильтров: нижних частот, верхних частот и многополосных. Рассчитанные импульсные характеристики фильтров хранятся в файлах для использования при фильтрации сигналов.

В результате проделанных работ внедрена современная физико-информационная технология изучения гидрофизических и виброакустических процессов, решены задачи обработки данных в реальном масштабе времени, разработаны интеллектуальные, графические и интерфейсные средства, обеспечивающие высокую эффективность исследований и развитие творческих способностей исследователей. Ориентация на персональные компьютеры, совместимые с PC/AT, и модульный принцип организации всей системы обеспечат массовость использования разработанной информационной технологии.

Назначение созданных информационно-вычислительных комплексов определяется типом используемых физико-информационных преобразователей, методами обработки (в части формулировки задач) и формой представления результатов (поскольку это связано с принятием решений, выявлением закономерностей, составлением прогноза и т.д.). Поэтому результаты работы можно использовать в других предметных областях, где необходим автоматизированный сбор данных, эффективная обработка сигналов и современные средства видеографического представления результатов. К таким областям можно отнести: вибрационный контроль механизмов (например двигателей), конструкций с целью диагностики состояния, определения источника (или карты) вибраций; сейсморазведку; обработку сигналов в антенных решетках; экологический мониторинг окружающей среды.

Список литературы

1. Крюков В.В., Широбокова К.И. Использование персонального компьютера для изучения сигналов физического эксперимента // Сб. тр. Международ. конф.: Персональные компьютеры в проектировании и исследовании агрегатов. - СПб., 1996.

2. Модуль аналогового ввода/вывода ADC12A/200: Руководство пользователя // InSys. - М., 1993.

3. Процессорные модули Dsp3x на базе TMS20C3x: Техническое описание // InSys. - М., 1994.