s
Sesiya.ru

Разработка информационно-измерительной системы для стендовых испытаний изделий новой техники

Информация о работе

Тема
Разработка информационно-измерительной системы для стендовых испытаний изделий новой техники
Тип Дипломная работа
Предмет Программирование
Количество страниц 150
Язык работы Русский язык
Дата загрузки 2015-05-21 01:30:44
Размер файла 1872.36 кб
Количество скачиваний 14
Узнать стоимость учебной работы online!
  • Тип работы
  • Часть диплома
  • Дипломная работа
  • Курсовая работа
  • Контрольная работа
  • Решение задач
  • Реферат
  • Научно - исследовательская работа
  • Отчет по практике
  • Ответы на билеты
  • Тест/экзамен online
  • Монография
  • Эссе
  • Доклад
  • Компьютерный набор текста
  • Компьютерный чертеж
  • Рецензия
  • Перевод
  • Репетитор
  • Бизнес-план
  • Конспекты
  • Проверка качества
  • Единоразовая консультация
  • Аспирантский реферат
  • Магистерская работа
  • Научная статья
  • Научный труд
  • Техническая редакция текста
  • Чертеж от руки
  • Диаграммы, таблицы
  • Презентация к защите
  • Тезисный план
  • Речь к диплому
  • Доработка заказа клиента
  • Отзыв на диплом
  • Публикация статьи в ВАК
  • Публикация статьи в Scopus
  • Дипломная работа MBA
  • Повышение оригинальности
  • Копирайтинг
  • Другое
Узнать стоимость

Скачать файл с работой

Помогла работа? Поделись ссылкой

Аннотация

В данном дипломном проекте рассматривается возможность применения современных компьютерных технологий для автоматизации стендовых испытаний элементов новой техники. Одной из целей проекта являлось определение ограничений на информативные параметры системы. Для этого был разработан и реализован алгоритм выбора уточнённых частот опроса, количества каналов, а так же структурная схема информационно-измерительной системы, функциональная схема передающей части принципиальная схема модуля формирования сигналов опроса датчиков. Приведены практические результаты вычислений всех необходимых параметров для реализации.



















Annotation

In this research project considered the possibility of using modern computer technology to automate the test bench elements of the new technology. One of the goals of the project was to determine the constraints on the informative parameters of the system. To do this has been developed and implemented the algorithm for selecting the refined sampling frequencies, number of channels, as well as the structural diagram of information-measuring system, the functional diagram of the transmission of the concept of signal-conditioning module sensor interrogation. The practical results of calculations of the criteria required for implementation.



















Оглавление
Введение 7
1 Технико-экономическое обоснование темы 10
2 Аналитический обзор методов и средств снижения суммарного потока отсчетов на входе канала связи 13
2.1 Устранение незначащих отсчетов 16
2.2 Адаптация частоты дискретизации к скорости изменения сигнала 20
2.3 Индивидуальные частоты дискретизации 23
2.4 Постановка задачи 26
3 Информационный расчет 28
3.1 Расчет относительных периодов опроса датчиков 28
3.2 Определение требуемого быстродействия АЦП в групповом тракте системы 33
4 Разработка алгоритма и программы определения допустимого набора частот опроса с учетом исходных данных и результатов информационного расчета 35
5 Выбор технических средств для реализации многоканальной информационно-измерительной системы 68
5.1 Выбор усилителей сигналов датчиков 75
5.2 Выбор аналоговых ключей 76
5.3 Выбор схемотехники устройства формирования сигналов опроса датчиков 77
5.4 Выбор АЦП 82
5.5 Выбор сигнального процессора 84
5.6 Выбор прямого цифрового синтезатора частот 86
5.7 Выбор и деталировка синтезатора несущей частоты 87
5.8 Выбор модулятора 89
5.9 Выбор усилителя модулированного выходного сигнала 90
5.10 Краткое описание усилительного тракта приемной части системы с гетеродином, преобразователем частоты и детектором сигнала 91
5.11 Выбор технической базы для реализации процедур цифровой обработки, записи и индикации сигнала в приемной части информационно-измерительной системы 92
6 Разработка структурной схемы многоканальной информационно-измерительной системы 93
7 Разработка функциональной схемы передающей части многоканальной информационно-измерительной системы 96
8 Разработка принципиальной схемы модуля формирования сигналов опроса датчиков 101
9 Экспериментальная часть: отладка программного обеспечения 103
10 Экономическая часть 105
10.1 Технико-экономическое обоснование темы проекта 105
10.2 Составление ленточного графика 106
10.3 Составление сметы затрат на разработку прибора 109
10.4 Расчет цены для НИР 111
10.5 Расчет и выводы по эффективности предложений 112
11 Безопасность и экологичность проекта 114
11.1 Организация рабочего места пользователя ПЭВМ 114
11.1.1 Анализ опасных и вредных факторов, сопровождающих работу пользователя ПЭВМ 114
11.1.2 Микроклимат рабочей зоны сотрудника 117
11.1.3 Уровень шума на рабочем месте 118
11.1.4 Оптимизация зрительных условий труда на рабочем месте 120
11.1.5 Расчет освещенности помещения 123
11.1.6 Уровень электромагнитных полей на рабочем месте, оборудованном ПЭВМ 126
11.1.7 Психофизиологические факторы 127
11.1.8 Организация рабочего места с ПЭВМ 129
11.1.9 Требования электробезопасности к помещениям с ПЭВМ 130
11.2 Пожарная безопасность 132
11.3 Экологичность проекта 135
Заключение 136
Приложение А. 141
Приложение Б…………………………………………………………………………..149















Введение

Информационно-измерительные системы играют огромную роль во многих отраслях производства, прикладной науки, в развитии новых технологий и разработке прогрессивной техники.
Основная тенденция развития измерений в автоматизированном производстве – это переход к машинному контролю по адаптивным моделям, к применению более сложных управляющих и информационно-измерительных систем (ИИС). В связи с этим резко возрастает значение метрологических характеристик измерительных каналов, учитывающих метрологические характеристики не только всех включенных в измерительный канал блоков, но и временные влияния каналов друг на друга.
Измерительные информационные технологии являются разновидностью информационных технологий и выделяются из этого обширного множества тем, что носят очевидный познавательный характер и реализуют специфические процедуры, присущие только им:
− получение исходной измерительной информации в результате взаимодействия первичных измерительных преобразователей (сенсоров) с объектом измерений;
− преобразование измерительной информации с заданной и гарантированной точностью;
− сопоставление сигналов измерительной информации с размерами общепринятых единиц измерения, оценка и представление характеристик остаточной неопределенности значений измеряемых величин.
Современные измерительные информационные технологии приобретают дополнительные свойства благодаря использованию аппаратных и программных средств искусственного интеллекта. Одной из важнейших задач развития измерительных информационных технологий является расширение номенклатуры измеряемых величин, обеспечение измерений в условиях воздействия «жестких» внешних факторов (высокая температура, большое давление, ионизирующее излучение и т.д.).
Решение подобных задач связано с усложнением структуры используемых средств измерений (СИ); созданием комплексов взаимосвязанных СИ и технических средств, необходимых для их функционирования. Современные объекты исследования характеризуются большим количеством параметров, изменяющихся подчас с большой скоростью.
Иногда, чтобы получить информацию о параметрах объекта, необходимо проводить комплексные измерения, а значение измеряемой величины получать расчетным путем на основе известных функциональных зависимостей между ней и величинами, подвергаемыми измерениям.
Все сказанное обуславливает необходимость создавать усовершенствованные многоканальные ИИС, способные не только собирать информацию с большого числа датчиков, но и передавать ее на большие расстояния с минимальными потерями достоверности и при минимальных материально-технических затратах. Данная задача зависит, в основном, от того, насколько успешно разработчик сможет минимизировать необходимую к передаче информацию. Речь идет об устранении незначащих отсчетов, которых в групповом сигнале, передаваемом через канал связи, может при неверном расчете оказаться куда больше, чем отсчетов полезных.
Темой настоящей дипломной работы является разработка информационно-измерительной системы для стендовых испытаний изделий новой техники. Необходимо разработать систему с различными частотами опроса датчиков, которая будет создавать минимально возможный поток отсчетов на входе своего группового тракта. Всего групп датчиков, опрашиваемых с одинаковыми частотами, четыре. При этом есть 32 канала с полосой частот контролируемого сигнала от 0 до 2 Гц, 16 каналов с полосой частот контролируемых параметров от 0 до 12 Гц, 8 каналов с полосой частот контролируемых параметров от 0 до 30 Гц, 8 каналов с полосой частот контролируемых параметров от 0 до 100 Гц (итого 64 канала).
На приемной стороне необходимо обеспечить возможность вывода восстановления непрерывных сигналов датчиков на экран монитора. Относительная приведенная погрешность восстановления непрерывных сигналов датчиков: для каналов первой группы – не более 0.03, для каналов второй и третьей групп – не более 0.01, для каналов четвертой группы – не более 0.02.
Для решения поставленной задачи необходимо не только разработать структурную, функциональную и принципиальную схемы ИИС и ее узлов, но и развить в программную реализацию оптимальный алгоритм расчета совместимых частот опроса датчиков. Данным вопросам и будет посвящена настоящая дипломная работа.

1 Технико-экономическое обоснование темы

ИИС, разрабатываемая в настоящем проекте, предназначена для стендовых испытаний новой техники. Нет нужды говорить, сколь важным для научно-технического прогресса и развития народного хозяйства являются подобные разработки. Их экономическую целесообразность достаточно просто обосновать, но нелегко точно рассчитать, поскольку разработчики не могут заранее сказать, сколь богатый денежный выигрыш можно будет получить от передовых, еще не опробованных в производстве разработок.
Но не следует забывать, что подобные ИИС можно с успехом применять и в действующем, хорошо отработанном производстве. В настоящее время обеспечение качества промышленной продукции сопряжено с усложнением технологических процессов её производства. Для эффективного управления этими процессами необходимо иметь количественную информацию о совокупности их режимных параметров и значениях внешних воздействующих факторов. Получение такой информации, как правило, осуществляется при помощи ИИС. При этом для сложных технологических процессов (например, процессы производства и получения многокомпонентных или особенно чистых материалов) число измеряемых параметров достигает нескольких сотен.
Соответственно, и ИИС состоит из нескольких сотен измерительных каналов, предназначенных для контроля в реальном времени различных физических величин. Поэтому фактические метрологические характеристики (в первую очередь точность и её сохранение), реализуемых в процессе эксплуатации ИИС, являются важным инструментом управления качеством выпускаемой продукции. Основными показателями технического совершенства ИИС является уровень их метрологических характеристик и метрологической надежности. Для обеспечения требуемых значений этих показателей в настоящее время прослеживается две тенденции: 1) качественное улучшение точностных свойств составляющих ИИС компонентов при одновременном уменьшении трудоёмкости обслуживания системы; 2) усложнение алгоритмов обработки измерительной информации с использованием ЭВМ при её сборе, обработке и хранении.
Развитие этих тенденций неизбежно приводит к необходимости совершенствовать подходы к эксплуатации этих систем и, в первую очередь, к обеспечению в производственных или испытательных (полевых, стендовых) условиях их метрологической надежности, так как существующее нормативные методы в этой области не всегда отвечают практическим задачам.
Учитывая, что количество разработчиков и производителей ИИС значительно меньше, чем количество их эксплуатационников, мероприятия, направленные на повышение именно эксплуатационной метрологической надежности могут дать наибольший практический результат.
Другие, не менее важные задачи, которые можно решить усовершенствованием и развитием многоканальных ИИС, заключаются в снижении нагрузки на канал связи при росте числа опрашиваемых датчиков и повышении универсальности самого канала связи. В настоящее время стоит только оглянуться вокруг, чтобы понять, что новые каналы связи для передачи метрологической информации создавать вовсе не обязательно. Их существует великое множество, и владельцы каналов охотно оказывают всем желающим услуги по передаче цифровой информации. Для этого можно использовать спутниковую или сотовую связь, Интернет, локальные вычислительные сети, систему радиорелейных линий, проводные телефонные сети. При этом качество связи достаточно высоко, а стоимость передачи информации постоянно снижается.
Таким образом, наиболее актуальной в настоящее время является задача создания ИИС, которая удовлетворяла бы следующим требованиям:
- узкая полоса передачи сигнала, позволяющая наиболее экономично использовать существующие каналы связи, не требующая для реализации системы усложненной и дорогостоящей аппаратуры;
- универсальность в выборе канала связи и удаленности передающей и приемной частей;
- гибкость схемотехнических решений, позволяющая легко перестроить систему на работу с различным количеством датчиком с разными характеристиками.
Поставленная задача будет решаться в настоящей работе. Это позволит улучшить параметры существующих систем и даст толчок к развитию новых принципов их построения. Одна из важных предпосылок к этому заключается в том, что в работе будет разработан алгоритм минимизации отсчетов на входе группового тракта ИИС и его программная реализация. Данная программа будет полезна разработчикам ИИС и инженерам, работающим в смежных областях науки и техники.

2 Аналитический обзор методов и средств снижения суммарного потока отсчетов на входе канала связи

Современные информационно-измерительные системы являются системами многоканальными, так как в их задачу входит сбор информации с большого числа датчиков – от, как минимум, десятков до сотен и даже более. Информация, как правило, должна передаваться на определенное расстояние к ее приемнику, в котором происходит обработка сигналов датчиков. Поэтому речь идет о групповом тракте системы – тракте приема-передачи информационных последовательностей. Датчики могут опрашиваться поочередно, тем самым оптимизируя пропускную способность и другие параметры группового тракта. Все зависит от информационных характеристик сигналов, то есть критериев, на основании которых можно организовывать по определенным законам дискретные выборки сигналов датчиков. При этом замена непрерывного и одновременного считывания информации ее дискретными отсчетами не должна приводить (в рамках заданных погрешностей) к ухудшению информативности сообщений. Непрерывность сигнала датчика при этом восстанавливается с определенной точностью на приемной полосе.
Таким образом, основной задачей преобразования сигналов в многоканальных информационно-измерительных системах является оцифровка аналогового сигнала датчика, то есть его представление определенным образом сформированной последовательностью дискретных по времени (а обычно – и по уровню) отсчетов.
Для качественного решения данной задачи необходимо определить информационные свойства сигнала, в частности, частотные – от них зависит скорость поступления информации в тракт. По данным свойствам (как правило, рассматривается ширина спектра сигнала) сигналы могут существенно различаться. Однако спектральные характеристики всех без исключения входных сигналов системы должны быть согласованы с пропускной способностью ее группового тракта.
Для дальнейшего рассмотрения методов упомянутого согласования введем некоторые термины и определения. Пусть датчик за номером i выдает непрерывный сигнал, который может быть разбит на ряд различимых отсчетов (состояний). При этом все различимые состояния мы будем считать равновероятными.
Энтропией сообщения датчика называется количество информации, которое приходится на один отсчет его непрерывного сигнала. Она измеряется в двоичных единицах и равна

, (2.1)

где Xi – выходной сигнал (сообщение) i-го датчика;
εi – предел допустимой погрешности представления сигнала i-го датчика.
Энтропия совокупности сообщений группы из N независимых датчиков записывается как сумма энтропий сообщений всех датчиков в группе:

, (2.2)

где – эквивалентный предел допустимой погрешности совокупности N датчиков.
Скорость R поступления информации в групповой тракт равна произведению энтропии совокупности сообщений H(X) на число отсчетов V, поступающих на вход группового тракта за одну секунду:

R = H(X) • V. (2.3)

Пропускная способность группового тракта определяется соотношением:
, (2.4)

где W – полоса частот пропускания группового тракта;
PC – средняя мощность сигнала;
РШ – средняя мощность помехи.
По определению, пропускная способность тракта равна пределу скорости передачи информации. Поэтому из (2.3) и (2.4) имеем условие, которое должно выполняться для группового тракта:

H(X) • V ≤ . (2.5)

Теперь, используя выражение (2.2), можно записать условие для полосы пропускания тракта, если известна скорость выдачи информации группой датчиков:

. (2.6)

Пропускная способность группового тракта ограничивается частотными свойствами технических средств, которые его образуют. В многоканальных измерительных системах свой вклад в ограничение пропускной способности вносят, в первую очередь, усилитель группового сигнала и аналогово-цифровой преобразователь (АЦП). Последний необходим для преобразования уровней дискретных временных отсчетов непрерывных сигналов датчиков в двоичный код.
Очевидно, что, чем уже полоса пропускание тракта, тем менее затратной с точки зрения схемотехнических решений и стоимости получится измерительная система. Поэтому, если производительность датчиков и отношение сигнал/шум в тракте известны из практики или заданы теоретически, основным параметром, от которого зависит ширина полосы, остается число отсчетов V, поступающих в тракт за секунду. Причем, чем это число меньше, тем уже полоса (см. (2.6)).
Данный факт и обосновывает актуальность снижения суммарного потока отсчетов на входе канала связи.
Число отсчетов V представляет собой сумму дискретных отсчетов сигналов всех датчиков, входящих в систему. Оно определяется частотой дискретизации, или опроса, каждого из каналов измерения. Далее V будет называться суммарным потоком отсчетов. Размерность параметра – отс/с (отсчеты в секунду).
Суммарный поток отсчета можно изменять при одних и тех же параметрах системы, если по-разному организовать процесс опроса датчиков. Существует три основных способа такой организации:
- опрос всех датчиков с одинаковой частотой, которая выбирается максимальной для данной группы датчиков, исходя из самого широкополосного измерительного сигнала;
- опрос всех датчиков аналогичным образом с последующим сокращением избыточных отсчетов;
- опрос каждого датчика с индивидуальной частотой.

2.1 Устранение незначащих отсчетов

Первый из перечисленных выше способов реализации процедуры опроса датчиков – самый простой и распространенный, но он не может считаться оптимальным в силу того, что значительная часть информации оказывается избыточной, а полоса пропускания тракта – неоправданно широкой.
Максимальная частота опроса датчиков определяется по формуле

FДмакс = 2FСмакс λ, (2.7)

где FСмакс – максимальная частота в спектре самого широкополосного сигнала,
λ – коэффициент, показывающий, во сколько раз на практике необходимо увеличить частоту дискретизации сигнала по сравнению с ее теоретическим значением, следующим из теоремы В. А. Котельникова. Данный коэффициент зависит от принятого метода восстановления непрерывного сигнала по его дискретным отсчетам на приемной стороне измерительной системы, а также от требуемой точности восстановления.
Для того, чтобы уменьшить нагрузку на канал связи, то есть суммарный поток отсчетов на его входе, из этого потока следует удалить незначащие отсчеты – отсчеты, которые не несут новой информации и поэтому не влияют на погрешность представления сигнала датчиков.
Без удаления незначащих отсчетов максимальный суммарный поток отсчетов будет равен

Vмакс = N • FД макс. (2.8)

Поскольку ширина спектров измерительных сигналов, передаваемых по одному групповому тракту, может существенно различаться (до сотен и более раз), значение Vмакс может оказаться очень большим, а число избыточных отсчетов будет гораздо большим, чем количество передаваемых полезных отсчетов. Это, как было сказано ранее, увеличивает широкополосность устройств группового тракта. Помимо этого, избыточно возрастает объем памяти, которая необходима в устройстве обработки сигналов для запоминания отсчетов.
Сокращение избыточных отсчетов чаще всего производится полиномиальными методами предсказания и интерполяции. Достаточно эффективны и вместе с тем наиболее просты оказываются решения с полиномами первой степени.
Схемотехнически система выглядит следующим образом. Все датчики опрашиваются с одинаковой максимальной частотой, как и в простейшем случае. Однако в цепь каждого датчика включается устройство сокращения избыточных отсчетов (УСО). Принцип его действия заключается в следующем.
В каждый дискретный момент времени (момент снятия отсчета) рассчитывается ожидаемое значение измеряемой величины на основе предыдущих отсчетов. Это значение сравнивается с реально снятым отсчетом. Если их разность оказывается в пределах допустимой погрешности представления измеренной величины, значит, данный отсчет не вносит новой информации в поток и может быть исключен как избыточный. Если же разность выходит за пределы допустимой погрешности, отсчет признается значащим и поступает на вход группового тракта.
Устройства УСО усложняют схему системы, причем весьма существенно. Кроме того, регулярность поступления отсчетов на вход тракта нарушается, поэтому, чтобы верно считать информацию на его выходе, необходимо добавить в информационный поток сведения о моментах прихода значащих отсчетов.
Пусть поток всех значащих отсчетов на входе канала связи равен Vo. Введем понятие коэффициента уменьшения широкополосности группового тракта, то есть отношения максимального суммарного потока отсчетов к потоку оставленных отсчетов:

, (2.9)

где Wмакс и Wo – значения полосы частот пропускания группового тракта, полученные из (2.6) подстановкой вместо V соответственно значений Vмакс из (2.8) и Vo – суммарного потока отсчетов на входе группового тракта, полученного после устранения незначащих отсчетов.
Коэффициент Ко при устранении незначащих отсчетов из потока, в котором информация со всех датчиков поступает с одинаковой частотой, зависит от погрешности представления отсчета (которая определяет расчетное значение величины и его разность с измеренным значением), а также от отношения сигнал-шум в отсчете или тракте. Исследования показывают, что наличие шумов существенно снижает значение Ко. Малое отношение сигнал-шум и повышенные требования к точности представления отсчетов могут ощутимо снизить эффективность полиномиальных методов устранения избыточных отсчетов. Для примера на рисунке 2.1 представлены зависимости требуемой ширины полосы группового тракта от значения предела допустимой погрешности представления сигнала датчика (при предположении, что у всех датчиков, подключенных к тракту, она одинакова) при различных отношениях PC / PШ. При построении графиков использовалось выражение (2.6), где предполагается V = Vo. В каждом канале при этом наличествует УСО.


Рисунок 2.1 – Изменение широкополосности группового тракта при сокращении избыточных отсчетов на основе УСО

Таким образом, метод устранения незначащих отсчетов эффективно работает только в ряде практических случаев, при достаточно высоком отношении сигнал-шум в тракте и при заниженных требованиях к точности представления измерительных сигналов. Ниже будет показано, что коэффициент уменьшения широкополосности в случае опроса каждого датчика с индивидуальной частотой не зависит ни от отношения сигнал-шум, ни от требуемой точности передачи сигнала. Он обеспечивает значение суммарного потока отсчетов, стремящееся к минимально достижимому на практике, простейшими средствами из возможных.
2.2 Адаптация частоты дискретизации к скорости изменения сигнала

Прежде, чем перейти к рассмотрению преимуществ способа опроса каждого датчика с индивидуальной частотой, стоит остановиться на разновидности описанного выше способа устранения незначащих отсчетов – методе адаптации частоты дискретизации сигнала каждого датчика к скорости его изменения. В основу данного метода положен тот факт, что сигнал даже с наиболее широкополосного датчика не всегда изменяется с максимальной частотой, и, если аппаратными или вычислительными методами в реальном времени сделать частоту опроса датчика функцией скорости изменения его сигнала, получится последовательность только значащих (существенных) отсчетов, в которой по определению будут отсутствовать отсчеты избыточные.
С точки зрения схемной реализации и характеристик сигнала на входе тракта, это значит, что частота дискретизации изменяется по непрерывному закону. Для сравнения следует вспомнить рассмотренный выше способ устранения незначащих отсчетов из последовательности выборок, идущих с неизменной частотой. Здесь после прохождения через УСО период следования выборок также становится величиной переменной, но он всегда будет кратен исходному, постоянному периоду дискретизации. Таким образом, в этом случае частота дискретизации варьируется по дискретному закону. В случае же применения адаптивного метода каждая следующая выборка будет происходить в произвольный момент времени, тогда, когда схема дискретизации на основе заданного алгоритма работы посчитает, что меняющийся сигнал на ее входе вышел за пределы погрешности взятия отсчетов ε0.
В такой схеме нет необходимости вводить тактовый генератор для устройства формирования отсчетов. Однако, здесь еще более актуальной становится необходимость получения информации о значении моментов опроса ti или о длинах временных отрезков между последующими отсчетами ∆ti.
В процессе обработки сигнала на выходе канала связи непрерывный сигнал восстанавливается с точностью ε0.
К настоящему времени разработано довольно много методов и алгоритмов адаптивной дискретизации сигналов. Их можно разделить на две основные группы:
- сравнение сигнала x(t) с приближающей функцией Р(t), которая формируется в процессе обработки сигнала с учетом его свойств;
- сравнение сигнала x(t) с эталонными фиксированными функциями, генерируемыми специальными устройствами по заданному закону.
Первая группа алгоритмов адаптивной дискретизации обеспечивает более эффективное отсеивание избыточных отсчетов по сравнению со второй. В общем виде алгоритм сводится к поиску на каждом из отрезков (ti, ti+1) некоей функции, относящейся к принятому классу, которая наилучшим образом представляет форму исходной функции x(t), исходя из заданных критериев отбора.
На практике наибольшее распространение получили алгоритмы, при которых адаптация по длинам отрезков (ti, ti+1) производится при помощи алгебраических полиномов нулевой и первой степени. Видно, что в основу данного алгоритма и алгоритма устранения незначащих отсчетов из эквидистантного потока данных положены во многом сходные принципы. Поэтому и схемотехническая реализация систем адаптивной дискретизации получается не менее, а иногда и более громоздкой, чем в сравниваемом случае. Это существенно затрудняет широкое распространение обоих методов.
Рисунок 2.2 иллюстрирует принцип простейшей экстраполяционной адаптивной дискретизации полиномом нулевой степени. При этом выполняется операция сравнения текущего значения сигнала x(t) со значением последней выборки сигнала x(ti).
Пусть приближающая функция Р(t) на отрезке (ti, ti+1) задается следующим выражением:

Р(t) = x(ti). (2.10)

В устройстве дискретизации, отдельном для каждого датчика из группы, на каждом из временных отрезков (ti, ti+1) непрерывно вычисляется разность

Рисунок 2.2 – Адаптивная дискретизация полиномом нулевой степени

Δx(t) = x(t) – x(ti), (2.11)

модуль которой сравнивается с принятой погрешностью взятия отсчетов ε0. Момент отсчета ti+1 сигнала x(t) наступает тогда, когда выполняется условие

| Δx(t) | = ε0. (2.12)

Если для адаптивной дискретизации используются полиномы первой степени, приближающая функция на отрезке (ti, ti+1) может выглядеть следующим образом:

, (2.13)

где штрихом стандартно обозначена первая производная сигнала x(t) в данной точке.
Тогда в устройстве дискретизации формируется функция вида (2.13) и вычисляется Δx(t). Определение функции приближения здесь требует дифференцирования сигнала. Моменты взятия отсчетов также определяются, исходя из выполнения условия (2.12).
При выполнении алгоритма адаптивной дискретизации с эталонными приближающими функциями исходный сигнал x(t) описанным выше образом сравнивается с набором эталонных сигналов {fk(t)}, поступающих от специального генератора. Моменты отсчетов сигнала определяются по результатам такого сравнения.

2.3 Индивидуальные частоты дискретизации

Пусть опрос каждого датчика в группе происходит с индивидуальной частотой. В этом случае по аналогии с (2.7) можно записать для i-го датчика

, (2.14)

где Fci – максимальная частота в спектре сигнала i-го датчика,
λi – коэффициент, показывающий, во сколько раз увеличивается частота дискретизации i-го сигнала сообщения по сравнению с ее значением, следующим из теоремы В. А. Котельникова.
Теперь суммарный поток отсчетов на входе группового тракта определяется как

. (2.15)

Коэффициент уменьшения широкополосности группового тракта при этом

, (2.16)

где Wu – значение полосы частот пропускания группового тракта, полученное из (2.6) подстановкой вместо V значения Vu из (2.15).
Из (2.16) видно, что Ки представляет собой некое постоянное число, определяемое только строго заданным значением Vu и не зависящее ни от отношения сигнал-шум в отсчетах, ни от погрешности представления каждого отсчета. Этот коэффициент определяется исключительно суммарным потоком отсчетов на входе группового тракта.
На рисунке 2.3 представлены графики, аналогичные рис. 2.1, для многоканальной измерительной системы с теми же параметрами, но опрос в которой организован для каждого датчика с индивидуальной частотой. Видно, что в этом случае требуемая полоса частот пропускания Wи группового тракта при соответствующих значениях допустимой погрешности Д и соотношениях PC /РШ существенно меньше (более чем в два раза).


Рисунок 2.3 – Изменение широкополосности группового тракта при
индивидуальной частоте опроса для каждого датчика

Таким образом, сравнение рис. 2.1 и 2.3 со всей очевидностью указывает на тот факт, что опрос датчиков с индивидуальными частотами опроса позволяет без дополнительных затрат существенно снизить требования к широкополосности группового тракта.
Для доказательства утверждений, выдвинутых в конце п. 2.1, об области применения каждого из сравниваемых методов снижения суммарного потока отсчетов на входе канала связи, дополнительно можно ввести коэффициент
. (2.17)

Зависимость коэффициента Кс в зависимости от погрешности представления отсчетов и соотношения PC /PШ приведена на рисунке 2.4. Можно показать, что при прочих равных условиях значение Кс увеличивается с ростом в группе датчиков конкретной системы доли датчиков, которые вырабатывают сообщения с низкочастотным спектром.


Рисунок 2.4 – Сравнение методов уменьшения суммарного потока отсчетов

Анализ зависимостей рис. 2.4 говорит о том, что метод устранения незначащих отсчетов при помощи УСО действительно будет эффективен только тогда, когда сигналы воспроизводятся с достаточно большими допустимыми погрешностями, а отношение сигнал-шум в канале велико. На практике это означает снятие отсчетов в виде двоичных чисел из 6 и менее разрядов, что в современных измерительных системах редко может считаться приемлемым. Кроме того, любые полиномиальные методы требуют дополнительных вычислительных и аппаратных затрат, и система получается громоздкой и дорогостоящей.
Метод сокращения общего числа отсчетов с применением индивидуальных частот опроса датчиков дает ощутимый выигрыш, существенно сужая полосу пропускания тракта, уменьшая объем памяти для хранения принятых отсчетов и общую энергоемкость измерительной системы. Затраты вычислительной мощности и аппаратных средств при этом не увеличиваются.
Еще одно дополнительное преимущество многоканальной измерительной системы с индивидуальными частотами опроса датчиков возникает, когда информационные сигналы с датчиков по форме близки к гармоническим. В этом случае коэффициент Ко будет близок к единице, тогда как Ки будет иметь достаточно высокое значение.

2.4 Постановка задачи

В настоящем дипломном проекте ставится задача разработки информационно-измерительной системы для стендовых испытаний изделий новой техники. При этом, согласно техническому заданию (ТЗ), система должна собирать информацию с 64 датчиков. Каков характер и форма сигналов, поступающих со стенда с датчиками, для процесса разработки значения не имеет и поэтому не уточняется. Параметры, которые необходимо принимать во внимание при разработке – полоса частот сигнала с каждого датчика и относительная приведенная погрешность восстановления непрерывных сигналов датчиков. Для удобства рассмотрения этих параметров, заданных в ТЗ, они сведены в таблицу 2.1.

Таблица 2.1 – Исходные параметры информационной системы для проектирования
Номер группы измерительных каналов Кол-во каналов (датчиков) Полоса частот сигнала датчиков, Гц Относительная приведенная погрешность восстановления сигнала
1 32 0 – 2 ≤ 0,03
2 16 0 – 12 ≤ 0,01
3 8 0 – 30 ≤ 0,01
4 8 0 – 100 ≤ 0,02
Система должна обеспечивать минимально возможный поток отсчетов на входе своего группового тракта. На приемной стороне необходимо предусмотреть возможность вывода восстановленных непрерывных сигналов датчиков на экран монитора.
Видно, что половина из существующих в системе датчиков (32) выдает крайне низкочастотный сигнал с полосой всего до 2 Гц. С другой стороны, восьмая часть датчиков (8) имеет полосу 100 Гц, т.е. в 50 раз большую, чем у датчиков самой низкочастотной группы. Остальные датчики характеризуются сигналом с полосой, также более тяготеющей к низкочастотному спектру. Очевидно, что опрос всех датчиков с одинаковой частотой привел бы к возникновению неоправданно большого числа избыточных отсчетов. Применение же метода опроса датчиков с индивидуальными частотами позволяет, как было показано выше, существенно уменьшить общее число отсчетов, поступающих в единицу времени на вход группового тракта. Данный метод и будет использован в разработке.
Поскольку датчики с одинаковыми параметрами должны опрашиваться с одинаковыми частотами, всего система будет работать на 4 различных частотах, по числу групп однотипных датчиков. Далее следует рассчитать эти частоты (или, точнее, относительные периоды опроса датчиков, понятие будет введено ниже) и определить требуемое быстродействие элементов группового тракта, в частности, АЦП.
Для подтверждения верности расчетов и уточнения выбранных параметров системы необходимо будет составить программу, которая позволит определить допустимый набор частот опроса датчиков с учетом исходных данных и результатов расчета.
Конечной целью проекта является полная разработка информационно-измерительной системы, с составлением ее структурной и функциональной схем, а также принципиальной схемы модуля формирования сигналов опроса датчиков.




3 Информационный расчет

3.1 Расчет относительных периодов опроса датчиков

Физическая реализация многоканальной информационно-измерительной системы будет рассмотрена ниже, при построении ее схем – от структурной до принципиальной. Пока принципиальным моментом является то, что все датчики с индивидуальными частотами последовательно (поочередно) подключаются к единственному входу группового тракта.
Время подключения каждого датчика ко входу группового тракта одинаково и называется канальным интервалом Тк. Период подключения каждого i-го датчика к входу группового тракта равен Ti и называется периодом дискретизации или периодом опроса. Значения данных двух параметров однозначно определяются соотношениями, соответственно, (2.15) и (2.14) и равны

, (3.1)

. (3.2)

Периодически повторяющийся набор сигналов опроса заданного числа датчиков N с соответствующими периодами опроса Tj отдельных датчиков или групп датчиков называют кадром многоканальной измерительной системы. Период повторения кадров, являющийся длительностью кадра, обозначается ТКАДР. Очевидно, что длительность кадра должна быть кратна каждому периоду опроса, то есть быть наименьшим общим кратным всех периодов опроса

. (3.3)

Физический смысл введенных переменных иллюстрирует рисунок 3.1. Данный пример является достаточно простым – здесь период опроса первого датчика (D1) равен 4Тк, второго (D2) – 6Тк, семи остальных датчиков (D3, …, D9) – 12Тк. Соответственно длительность кадра равна 12Тк, то есть является наименьшим общим кратным всех периодов опроса. При этом все взаимоотношения по длительности задаются целыми числами.


Рисунок 3.1 – Последовательность отсчетов сигналов разных датчиков на входе группового тракта

Из рис. 3.1 видно, что в пределах одного кадра канальные интервалы, на которых расположены сигналы опроса с периодом Ti, занимают определенные позиции. В силу временного разделения каналов сигналы опроса разных датчиков не должны занимать одни и те же позиции.
В случае, принятом к расчету в настоящей работе, существует ряд групп датчиков с одинаковыми частотами опроса FД j в пределах каждой группы. Для этого случая, если число таких групп р, и в каждую j-ю группу входит nj датчиков , выражение (3.2) записывается в виде

. (3.4)

Для проведения расчетов необходимо выяснить, чему равен для каждой группы датчиков коэффициент λj. В [] показано, что его можно выразить как

, (3.5)

где σj – допустимая приведенная погрешность дискретизации (восстановления) сигнала для j-й группы датчиков (см. табл. 2.1).
Под знаком корня третьей степени в (3.5) стоит среднеквадратическая погрешность γj, которая связана с σj соотношением γj ≈ σj / 3, поскольку погрешность интерполяции имеет нормальное распределение.
Формула (3.5) справедлива при предположении, что в качестве метода восстановления непрерывного сигнала по его дискретным отсчетам на приемной стороне измерительной системы используется метод параболической интерполяции. Он и будет использован в разрабатываемой схеме для получения плавных кривых изменения восстановленного сигнала.
Таким образом, для каждой из описанных в табл. 2.1 групп датчиков рассчитываются параметры λj, FДj, Тj по формулам (3.5), (3.1) и результаты вычислений сводятся в таблицу 3.1. Сюда же записываются и значения Тк и ТКАДР, вычисленные по формулам (3.4) и (3.3). В данных и дальнейших расчетах учитывается, что необходимо обеспечить условие, чтобы погрешность восстановления сигнала в каждой группе была менее или равной заданной в табл. 2.1. Анализ упомянутых формул показывает, что для этого при округлении значений параметров, имеющих размерность частоты, их следует выбирать большими, чем рассчитанные, и, наоборот, параметры с размерностью времени должны округляться в меньшую сторону.

Таблица 3.1 – Результаты расчета частот и периодов опроса для заданных групп датчиков
j nj Fс j, Гц σj λj FДj, Гц Тj, с Vu, Гц Тк, с ТКАДР, с
1 32 2 0,03 3,13 12,52 0,0800


10118


9,88•10-5


0,0800
2 16 12 0,01 4,52 108,48 0,0090
3 8 30 0,01 4,52 271,20 0,0035
4 8 100 0,02 3,59 718 0,0014

По логике предыдущих рассуждений, периоды опроса и длительность кадра необходимо выбирать кратными канальному интервалу Тк. Поэтому результаты расчетов из табл. 3.1 нуждаются в корректировке. Отсюда же вытекают понятия относительного периода опроса Θj и относительной длительности кадра Θ, которые должны быть целыми числами:

, (3.6)

. (3.7)

Принимая во внимание (3.3), можно записать, что

Θ = [Θ1, Θ2, …, Θj, …, Θp], (3.8)

т.е. относительная длительность кадра есть наименьшее общее кратное всех относительных периодов опроса.
Исходя из изложенного, можно переписать табл. 3.1, уточнив значения всех параметров до таких, которые будут давать целочисленное значение относительных периодов. Результат представлен в таблице 3.2.

Таблица 3.2 – Уточненные результаты расчета частот и периодов опроса, относительных периодов опроса для заданных групп датчиков
j nj FДj, Гц Тj, с Θj Θj корр Vu, Гц Тк, с ТКАДР, с Θ
1 32 12,52 0,0800 809 800


10118


9,88•10-5


0,0800

809
(800)
2 16 108,48 0,0090 91 80
3 8 271,20 0,0035 35 32
4 8 718 0,0014 14 10

Очевидно, что округление с получением целочисленных Θj (пятый столбец табл. 3.2) не является достаточным для разработки верного алгоритма работы многоканальной системы. Дело в том, что наибольшая длительность относительно периода Θj, выбранная как Θ, должна иметь все остальные Θj в качестве делителей без остатка, т.е. Θ / Θj также должно быть целым числом. Только тогда можно правильно организовать повторяющуюся структуру кадра.
На самом деле, проблема выбора делителей и представляет наибольшую сложность в расчете многоканальной системы, являясь и одной из наиболее важных. В общем случае она может решаться лишь методами математического моделирования на основе достаточно непростой теории, основы которой будут представлены в следующем разделе настоящей работы. Пока же, на данном этапе, поскольку рассчитываемая система является относительно несложной, можно интуитивно предположить, что одним из возможных вариантов решения будет следующий.
Вместо Θ = 809 принимается меньшая относительная длительность кадра, дающая достаточный набор делителей – Θ = 800. Соответствующие относительные периоды опроса, дающие целочисленные значения Θ / Θj, представлены в табл. 3.2 в столбце «Θj корр» (шестой столбец таблицы). Предварительный анализ показывает, что данные значения Θj удовлетворяют всем заданным требованиям. Однако нельзя достоверно утверждать, что данный интуитивно полученный вариант решения будет единственным, а тем более – оптимальным. Это требует строгого доказательства.
Поэтому проведенный расчет является оценочным, информационным. Для дальнейшего рассмотрения из него можно предварительно взять лишь два значения: Тк = 9,88 • 10-5 с и Θ = 800, поскольку они хорошо согласовываются с исходными расчетными данными (в частности, с требуемым значением суммарного потока отсчетов на входе группового тракта). Это значит, что каждый кадр будет состоять из 800 тактов с периодом Тк. При этом значение Vи суммарного потока отсчетов на входе группового тракта, которое будет фигурировать в дальнейшем в качестве одного из исходных данных для точного расчета, принимается равным 10118 Гц.

3.2 Определение требуемого быстродействия АЦП в групповом тракте системы

Быстродействие аналого-цифрового преобразователя (АЦП) определяется длительностью цикла преобразования входного уровня в цифровой код. Необходимо, чтобы период поступления аналоговых, дискретизированных по времени сигналов был больше, чем время преобразования АЦП, чтобы каждый отсчет успевал пройти полный цикл преобразования в реальном времени.
Суммарный поток отсчетов, действующий на входе группового тракта, а именно, на входе АЦП, следует с частотой 10118 Гц. Данная величина является относительно небольшой и не требует применения специализированных быстродействующих АЦП, что позволяет снизить стоимость аппаратной реализации системы.
Таким образом, в схеме необходимо применить АЦП с быстродействием (скоростью преобразования) 104 – 2 • 104 преобразований в секунду. Из диаграммы, представленной на рисунке 3.2, видно, что для этой цели при разрешающей способности до 16 бит лучше всего из выпускаемых современной промышленностью типов АЦП подходят недорогие АЦП последовательного приближения, обозначенные на рисунке «АЦП ПП».


Рисунок 3.2 – Распределение типов АЦП по скорости и разрешающей способности



4 Разработка алгоритма и программы определения допустимого набора частот опроса с учетом исходных данных и результатов информационного расчета

Итак, следует рассмотреть математические основы точного определения набора допустимых частот опроса группы датчиков с произвольными характеристиками. Данный набор будет тем богаче, чем больше делителей будет иметь относительная длительность кадра Θ.
Любое целое число может быть представлено в виде

, (4.1)

где bj – попарно различные простые числа,
c1, c2,…, cj,…, cq – натуральные числа.
Для попарно различных простых чисел выполняется условие

, (4.2)

где ,
запись (x, y) означает наибольший общий делитель чисел x и y.
Положительное число d является делителем числа Θ, если выполняется условие

, (4.3)

где 0≤z1≤с1, 0≤z2≤с2,…, 0≤zj≤cj,…, 0≤zq≤cq.
Факт того, что положительное число d является делителем положительного числа Θ, будет обозначаться как d|Θ. Если d не является делителем Θ, то обозначение этого d Θ.
Суммированием числа разных делителей числа Θ определяется максимальное количество разных делителей числа Θ

. (4.4)

Тот факт, что сигналы опроса с периодами повторения Tj и Tk, где могут быть сформированы, еще не означает, что они могут быть совместно реализованы в конкретной многоканальной измерительной системе. Поэтому необходимо выяснить условия совместной реализуемости разных периодов опроса и определить число разных периодов опроса, реализуемых совместно с заданным периодом опроса.
Для решения этих вопросов наиболее пригоден аппарат теории чисел, в частности сравнения. При анализе условий совместной реализуемости сигналов опроса с разными периодами удобно использовать такие характеристики этих сигналов, которые обычно задаются при проектировании многоканальных измерительных систем: период опроса Tj и число датчиков nj, опрашиваемых с данным периодом.
Пусть номера канальных интервалов (номера позиций), входящих в один кадр, обозначаются числами натурального ряда, включая ноль: 0, 1, 2, …, (Θ–1). Тогда сигналы опроса с периодом Tj, , можно представить в виде подмножества чисел, взятых из множества {0, 1, 2, …, Θ–1}:

, (4.5)

где – начальный член подмножества и его возможные значения;
– переменная, последовательно принимающая ряд значений 0, 1, 2,…, (Θ/Θj – 1) с шагом, равным единице.
Все числа подмножества (4.5) сравнимы между собой по модулю Θj. Числа а и b называют сравнимыми по модулю М, если разность b – a делится на М, то есть если M|b–a. Соотношение между числами a, b, M, означающее сравнимость чисел а и b по модулю М, записывают в виде

. (4.6)

Классом по данному модулю М называют множество всех целых чисел, сравнимых с некоторым данным числом а. Таким образом, числа (4.5) принадлежат одному классу по модулю j.
При выяснении вопроса о совместной реализуемости неодинаковых периодов опроса принимается, что Θ1< Θ2<…< Θj<…< Θk<…< ΘNd.
Числа подмножества (4.5) составляют класс по модулю Θj.
Сигналы с разными периодами опроса Tj и Tk, , совместно реализуются, если соответствующие им подмножества чисел вида (4.5) не пересекаются:

. (4.7)

Условие (4.7) выполняется, если числа, образующие подмножества Mj и Mk, принадлежат разным классам по соответствующему модулю.
Существует следующая теорема, доказанная в []: числа подмножества Mj, принадлежащие по модулю Θj классу , образуют по другому модулю Θk классы
, , (4.8)

где djk = (j, k) – наибольший общий делитель чисел j и k.
Для того, чтобы подмножества Mj и Mk не пересекались, числа подмножеств Мk не должны образовывать по модулю Θk классы, номера которых определяются выражением

. (4.9)

Классы (4.9) называются запрещенными для подмножеств Мk. Из выражения следует, что число запрещенных классов, образуемых одним подмножеством Θj для подмножеств Θk, равно

. (4.10)

Если имеется v разных подмножеств вида (4.5), то они образуют по модулю Θk для подмножеств Мk

(4.11)

запрещенных классов. mk1 может принимать только Θk целых значений, поэтому условие непересечения подмножеств Мk с существующими подмножествами М1, …, Мj, …, Мv, а, следовательно, условие реализуемости периода опроса Tk совместно с периодами T1,…, Tj,…, Tv имеет вид

. (4.12)

Число нереализуемых периодов опроса определяется выражением, аналогичным (4.4):

. (4.13)

Вычитая (4.13) из (4.5), можно получить максимально возможное число разных периодов опроса, включая и период Tj, попарно реализуемых совместно с периодом Tj,

. (4.14)

Таким образом, из анализа полученных выражений следует, что принципиальным условием совместной реализации периода опроса Tj попарно с одним из периодов опроса Tk (Tj<Tk, ) является отличие от единицы наибольшего общего делителя их относительных периодов Θj и Θk.
В реальных многоканальных измерительных системах, включая рассматриваемую в настоящей работе, с периодом Tj опрашивается не один датчик, а несколько, nj. С другим периодом Tk должны опрашиваться nk датчиков и т. д. Однако, могут ли быть реализованы сигналы с периодом Tk, если существуют nj сигналов пороса с периодом Tj, и если да, то может ли их число достичь nk, зависит от способа формирования сигналов опроса и от соотношения их относительных периодов Θj и Θk, а также от способа организации структуры кадра многоканальной измерительной системы.
Под организацией структуры кадра понимается сопоставление моментам опроса каждого датчика определенных позиций кадра, номера которых взяты из множества {0, 1, 2, …, Θ–1}. Существует метод рациональной организации структуры кадра системы. Рациональной считается организация структуры кадра, при которой вместе с опросом nj датчиков с периодом опроса Tj может быть опрошено возможно большее число датчиков с периодом опроса Tk, вместе с опросом nj датчиков с периодом опроса Tj и nk датчиков с периодом Tk может быть опрошено возможно большее число датчиков с периодом Tr (Tj<Tk<Tr) и так далее при минимальном значении относительной длительности кадра Θ.
Метод рациональной организации структуры кадра заключается в группировании подмножеств вида (4.5) и основан на теореме, упомянутой выше, а также свойстве сравнений не изменяться при добавлении или отбрасывании членов, делящихся на модуль.
Пусть устройство формирования сигналов опроса формирует сигналы с р различными периодами , где , . Этим сигналам соответствуют подмножества чисел вида (4.5), причем . Имеется два таких подмножества и , где . Числа подмножества образуют по модулю в соответствии с (4.8) и (4.9) запрещенные классы с номерами

, (4.15)

где – начальный член подмножества, наименьший из всех чисел, входящих в подмножество : .
Из (4.15) следует, что номера запрещенных для подмножеств классов сравнимы по модулю с начальным членом подмножества .
Пусть имеется подмножеств с номером i, , которые будут обозначаться . Их начальные члены выбираются из условия

, (4.16)

где ,
– начальный член подмножества , наименьший из множества допустимых значений .
Теперь можно записать номера классов, образуемых числами подмножеств по модулю и запрещенных для подмножеств :

. (4.17)

Все числа (4.17) сравнимы по модулю с :

. (4.18)

В сравнении можно добавлять или отбрасывать любое слагаемое, делящееся на модуль. В выражении (4.18) слагаемое делится на модуль при любом значении , поэтому его можно исключить.
Таким образом, запрещенные для подмножеств классы (4.17), образуемые числами подмножеств , совпадают с запрещенными классами (4.15), образуемыми одним подмножеством .
Для дальнейшего развития теории и разработки алгоритма определения допустимого набора частот опроса вводятся определения групп i-й ступени. Так, совокупность подмножеств , удовлетворяющих условию (4.16), называется группой первой ступени и обозначается , причем подмножество является основным запрещающим подмножеством и обозначается . В зависимости от числа подмножеств группа может содержать подмножеств или меньше, чем . В первом случае группа называется полной, , во втором случае – неполной, . В любом случае запрещенные для подмножеств классы будет создавать только одно .
Из подмножеств можно последовательно сформировать группы все более высоких ступеней, при этом группа i-й ступени , определяется как совокупность групп (i – 1)-й ступени, если начальные члены подмножеств , входящих в каждую из групп (i – 1)-й ступени , выбраны в соответствии с условием

, (4.19)

где , .
Группа i-й ступени в соответствии с (4.19) может содержать групп (i – 1)-й ступени. Если группа i-й ступени содержит полных групп (i – 1)-й ступени, то она называется полной, . Если хотя бы одна группа (i – 1)-й ступени окажется неполной или число полных групп (i – 1)-й ступени будет меньше , то группа i-й ступени называется неполной, .
Для подборов вариантов компоновки кадра следует определить, сколько может быть сформировано групп i-й ступени из подмножеств при заданных относительных периодах . Из множества чисел {0, 1, 2, …, Θ–1} можно по модулю образовать разных классов, которые составляют полную систему наименьших неотрицательных вычетов по модулю . Вычетом класса называют любое из чисел, принадлежащих этому классу. Полной системой вычетов по некоторому модулю называют систему чисел, взятых по одному из каждого класса по этому модулю.
Классы вычетов, образующие полную систему вычетов, не пересекаются. Таким образом, если бы реализовывались сигналы опроса только с периодом , то из множества чисел {0, 1, 2, …, Θ–1} можно было бы составить непересекающихся подмножеств . Поэтому максимально возможное число сигналов опроса с периодом определится как

. (4.20)

Пусть – число подмножеств , входящих в полную группу i-й ступени. Тогда полная группа i-й ступени содержит

(4.21)

подмножеств .
Максимальное число групп i-й ступени, в которые могут быть объединены подмножества , равно

. (4.22)

Возможность объединения групп (i–1)-й ступени в группу i-й ступени определяется совместным выполнением условий:

; (4.23)

. (4.24)

Невыполнение условия (4.23) означает, что подмножества не могут быть реализованы совместно с заданной совокупностью подмножеств , , …, , объединенных в полные группы соответствующих ступеней. Невыполнение условия (4.24) означает, что подмножества могут быть объединены в группу не выше (i–1)-й ступени. Таким образом, данное условие позволяет определить максимально возможную ступень группирования подмножеств , а по аналогии и остальных подмножеств ,…, , при заданных относительных периодах .
Теперь следует определить, сколько может быть образовано полных групп i-й и более низких ступеней при заданном числе подмножеств , и сколько подмножеств остается в неполной группе каждой ступени. Неполная группа более высокой ступени может содержать несколько полных групп и только одну неполную группу более низкой ступени.
Пусть число полных групп соответствующей ступени равно , соответственно число полных групп предыдущей ступени, входящих в неполную группу последующей ступени, обозначается , а число подмножеств , входящих в неполную группу, .
При заданном числе подмножеств с учетом (4.21) и условий (4.23), (4.24) число полных групп i-й ступени определится как

, (4.25)

где взятие в квадратные скобки [a/b] означает целую часть от деления а на b.
Число подмножеств , оставшихся в неполной группе определится выражением

. (4.26)

По аналогии с (4.21) можно найти число подмножеств в одной полной группе (i – 1)-й ступени и, используя (4.26), – число полных групп (i – 1)-й ступени в неполной группе i-й ступени

. (4.27)

Число подмножеств , оставшихся в неполной группе (i – 1)-й ступени,

. (4.28)

Переходя последовательно к группам более низких ступеней, находится число полных групп первой ступени, содержащихся в неполной группе второй ступени,

, (4.29)

и число подмножеств , оставшихся в неполной группе первой ступени,

. (4.30)

Теперь следует рассмотреть особенности групп h-й ступени. Числа всех подмножеств , входящих в одну из полных групп (h–1)-й ступени , образующих группу h-й ступени , представимы в виде множества

, (4.31)

где , .

Числа (4.31) образуют по модулю классы с номерами
, (4.32)

где – наибольший общий делитель чисел и ,
.
Числа подмножеств , входящих в остальные полные группы , образующие полную группу , записываются в виде

. (4.33)

Числа (4.33) образуют по модулю классы

. (4.34)

Если делится на , то из числа запрещенных для групп классов можно исключить классы, определяемые слагаемым , то есть из всех полных групп (h–1)-й ступени , входящих в полную группу h-й ступени , только одна запрещает формирование групп подмножеств . Возможность такого случая учитывается с помощью важного для дальнейшего рассмотрения коэффициента
. (4.35)

Обобщая вышеизложенное, можно записать выражение, определяющее число групп подмножеств , запрещаемое полными группами (k–g)-й ступени подмножеств , в следующем виде:

. (4.36)

Учитывая область определения jg, общее число запрещенных групп , обусловленное наличием полных групп соответствующих ступеней подмножеств , можно определить суммированием (4.36) по jg:

. (4.37)

Можно представить выражение, определяющее число запрещенных групп подмножеств от неполной группы (k–g)-й ступени подмножеств , как


где

(4.39)

Общее число запрещенных групп , обусловленное наличием неполных групп соответствующих ступеней подмножеств , можно определить суммированием (4.38) по jg:


Далее, преобразуя представленные вые выражения, можно получить число разрешенных групп при заданных числах подмножеств , , …, , …, объединенных в группы соответствующих ступеней, которое может быть образовано подмножествами :



Для реализации алгоритма необходимы также коэффициенты

(4.42)

(4.43)

(4.44)
(4.45)

(4.46)

(4.47)

Суммарное число запрещенных для подмножеств классов, образуемых подмножествами , объединенными в группы четвертой и более высоких ступеней (i≥4), определяется выражением

(4.48)
Для групп третьей (i=3), второй (i=2) и первой (i=1) ступеней выражение (4.49) преобразуется соответственно в

(4.49)

(4.50)

. (4.51)

Таким же образом можно определить число запрещенных для подмножеств классов, создаваемых объединенными в соответствующие группы подмножествами . Пусть суммарное число запрещенных для подмножеств классов при наличии группирования подмножеств равно , тогда

, (4.52)

где , р – число разных периодов сигналов опроса.
Число подмножеств , которое может быть реализовано при заданных числах подмножеств , объединенных в группы соответствующих ступеней, определяется путем вычитания числа запрещенных классов (4.52) из их максимально возможного числа:

. (4.53)

Предложенный способ организации структуры кадра многоканальной измерительной системы основан на учете соотношений модулей разных классов вычетов, описывающих сигналы с соответствующими периодами опроса. Преимущества этого способа по сравнению со способами организации структуры кадра, не учитывающими эти соотношения, можно выразить через дополнительно реализуемое число измерительных каналов с заданным периодом опроса , определяемое числом дополнительно реализуемых подмножеств .
Исходными данными для синтеза структуры кадра являются совокупность частот опроса FД1, FД2, …, FДp и числа измерительных каналов n1, n2, …, np с каждой их этих частот опроса, задающая программу измерений, и предельное значение VПРЕД суммарного потока отсчетов на входе группового тракта, которое может быть передано через групповой тракт без потери информации.
Результатом формирования структуры кадра должны быть:
- число позиций Θ в кадре многоканальной измерительной системы,
- реально реализуемые частоты опроса FД1*, FД2*, …, FДp*,
- реально реализуемое число измерительных каналов с данными частотами опроса датчиков n1*, n2*, …, np*,
- реальный суммарный поток отсчетов на входе группового тракта .
Реальные частоты опроса, число сигналов опроса с этими частотами и суммарный поток отсчетов на входе группового тракта измерительной системы должны удовлетворять условиям:

, (4.54)

, (4.55)

. (4.56)

Выполнение условия (4.54) обеспечивает заданную точность восстановления исходных аналоговых измерительных сигналов по дискретным отсчетам. Условие (4.55) гарантирует, что измерительная информация от всех датчиков многоканальной измерительной системы будет передана в групповой тракт. Из (4.54) – (4.56) и (2.15) следует, что . Если при определении и , удовлетворяющих условиям (4.54), (4.55), окажется, что не выполняется условие (4.56), то это приведет к необходимости использовать более быстродействующие устройства в групповом тракте, например АЦП, что приведет в свою очередь к увеличению широкополосности группового тракта.
В соответствии с (3.8), число позиций Θ в кадре является наименьшим общим кратным всех относительных периодов опроса Θj. На основе выражений (2.14) и (3.4), можно связать относительные периоды Θj с суммарным потоком отсчетов на входе группового тракта многоканальной измерительной системы:

. (4.57)

Используя переход к относительным периодам, задачу синтеза кадра по заданной программе измерений можно свести к составлению наборов относительных периодов , удовлетворяющих условиям (4.54) – (4.56).
Учитывая переход к относительным периодам и (4.57), условие (4.54) представимо в виде

. (4.58)

Набор относительных периодов , удовлетворяющий условиям (4.58), (4.55), (4.56), называется допустимым набором и обозначается . Допустимые наборы могут быть составлены только из возможных значений, которые может принимать каждый относительный период опроса Θj: .
Учитывая (4.56) – (4.58), минимальные и максимальные значения из множества возможных значений Θj определяются следующим образом:

, (4.59)

. (4.60)

Из множеств {Θj возм} возможных значений Θj могут быть составлены различные наборы, включающие по одному элементу из каждого множества. Каждый из таких наборов называется возможным и обозначается {Θj}возм. Из множества возможных наборов необходимо выбрать допустимые наборы , удовлетворяющие условиям (4.58), (4.55), (4.56).
Критерии оптимальности сформированной структуры кадра:
1. Число позиций Θ в кадре определяет: при аппаратной реализации устройства формирования сигналов опроса – емкость пересчетной схемы этого устройства, при программной – число ячеек памяти для хранения программы опроса датчиков каждого канала в пределах одного кадра.
В связи с этим Θ можно выбрать в качестве критерия оптимальности сформированной структуры кадра многоканальной измерительной системы

. (4.61)

Запись (4.61) означает, что из всех допустимых наборов относительных периодов Θj выбирается набор, при котором обеспечивается минимальная относительная длительность Θ сформированного кадра.
2. Реально реализуемые при сформированной структуре кадра частоты опроса FД1*, FД2*, …, FДp* и число измерительных каналов с данными частотами опроса датчиков n1*, n2*, …, np* определяют реальный суммарный поток отсчетов на входе группового тракта , который, в свою очередь, определяет требования к пропускной способности группового тракта многоканальной измерительной системы. Таким образом, в качестве критерия оптимальности при выборе одного из сформированных допустимых наборов может быть выбрано минимальное значение суммарного потока отсчетов на входе группового тракта

. (4.62)
Выбор того или иного критерия при определении оптимального допустимого набора определяется задачами, поставленными при проектировании многоканальной измерительной системы.
Функции и не могут быть однозначно выражены в аналитическом виде, поэтому для нахождения допустимого набора , удовлетворяющего условиям (4.61) или (4.62), наиболее пригодны методы, основанные на переборе возможных решений.
Формирование кадра целесообразно начать с размещения на позициях кадра чисел множества М1, соответствующего наименьшему периоду опроса, затем чисел множеств М2, М3 и так далее. Для каждого возможного значения Θ1, начиная с минимального, (см. (4.59)), осуществляется перебор возможных значений Θ2, границы диапазона которых определяются (4.59) и (4.60). Для каждой пары (Θ1, Θ2) определяется в соответствии с (4.53) число подмножеств М2, реализуемых совместно с n1 подмножествами М1, и проверяется выполнение условия (4.55). При выполнении данного условия для пары (Θ1, Θ2) осуществляется перебор возможных значений Θ3, определяется и проверяется условие (4.55). Подобные действия повторяются вплоть до ΘР, в результате чего образуется допустимый набор . Затем выполняется переход к очередному значению , и процесс поиска допустимых наборов повторяется. Из полученного множества допустимых наборов выбирают тот, который удовлетворяет условиям (4.61) или (4.62).
Результаты анализа процесса формирования сигналов опроса с неодинаковыми периодами позволяют упростить процесс поиска допустимых наборов за счет исключения из рассмотрения значений Θj, не удовлетворяющих условию (4.12). Значения эти – те, для которых djk = (Θj, Θk) = 1, то есть числа Θj и Θk – взаимно простые числа.
Предложенный метод организации структуры кадра позволяет эффективно использовать пропускную способность группового тракта многоканальной измерительной системы, обеспечивая при ограниченной пропускной способности передачу информации от заданного числа источников информации.
Блок-схема алгоритма, показывающего общую последовательность действий при формирования допустимых наборов относительных периодов сигналов опроса, приведена на рисунке 4.1.
1. Начальным шагом является ввод исходных данных, которыми, как отмечалось выше, являются частоты опроса FДj, число измерительных каналов nj с каждой их этих частот опроса, j = 1, 2, …, р, р – число разных частот опроса, и предельное значение VПРЕД суммарного потока отсчетов на входе тракта.
2. На основании выражений (2.15), (4.59), (4.60) определяются границы диапазона возможных значений каждого относительного периода Θj.
3. Задаются начальные условия составления допустимого набора, заключающиеся в том, что формирование кадра начинается с выбора пары относительных периодов Θ1 и Θ2, соответствующих сигналам опроса, которые занимают наибольшее число позиций в кадре.
4. Выбирается начальный элемент Θ1 составляемого набора. Первое возможное значение этого начального элемента принимается равным минимальному из возможных значений: Θ1= Θ1мин. При последующем обращении к блоку 4 ранее выбранное значение Θ1 увеличивается на единицу: Θ1= Θ1+1.
5. Осуществляется проверка того, что значение начального элемента набора Θ1 не вышло за границы диапазона допустимых значений, определенных в блоке 2.
В начале процедуры составления допустимого набора условие, проверяемое в блоке 5, выполняется, поэтому далее осуществляется переход к блоку 6. В конце процедуры составления допустимого набора, когда рассмотрены все возможные варианты сочетаний Θj, возможности выбора очередного значения Θ1 исчерпаны. Это является критерием завершения поиска допустимых наборов, поэтому осуществляется переход от блока 5 к блоку 28.

Рисунок 4.1 – Алгоритм поиска допустимых наборов
6. На первом этапе составления допустимого набора в соответствии с заданными в блоке 3 начальными условиями осуществляется выбор одного из возможных значений Θ2. По мере включения в допустимый набор новых элементов выбираются возможные значения Θ3, Θ4 и т. д. При первом выборе элемента его значение принимается равным минимальному значению Θk = Θkмин. При последующем обращении к блоку 6 ранее выбранное значение Θk увеличивается на единицу: Θk = Θk + 1.
7. Осуществляется проверка того, что значение очередного элемента набора Θk не вышло за границы диапазона допустимых значений, определенных в блоке 2. В начале процедуры составления допустимого набора условие, проверяемое в блоке 7, выполняется, поэтому далее осуществляется переход к блоку 8. В дальнейшем, после нахождения одного или нескольких допустимых наборов при выбранных Θ1, Θ2, …, Θk-1 и разных Θk, когда выбор очередного значения Θk становится невозможен, поиск допустимых наборов продолжается при новом значении предыдущего элемента набора, то есть при Θk-1. Для этого осуществляется переход от блока 7 к блоку 26.
8. Проверяется потенциальная возможность объединения подмножеств М1 в группы второй и более высоких ступеней. Это возможно только при k ≥ 3.
На первом этапе составления допустимого набора в соответствии с условиями, заданными в блоке 3, k = 2, поэтому подмножества М1 могут быть объединены только в группы первой ступени, в связи с чем осуществляется переход к блоку 8.
По мере включения в допустимый набор новых элементов Θ3, Θ4 и т. д., что свидетельствует о потенциальной возможности объединения подмножеств М1 в группы второй и более высоких ступеней, появляется необходимость перехода к блоку 18.
9. Проверяется совместимость выбранного значения очередного элемента Θk с ранее выбранным значением Θ1. Сигнал опроса с относительным периодом Θk совместно реализуется с сигналом опроса с относительным периодом Θ1, если выполняется условие (4.23). Таким образом, в блоке 9 происходит вычисление наибольшего общего делителя d1k = (Θ1, Θk) и проверяется условие d1k > 1.
В случае выполнения этого условия, следует переход к блоку 10.
Если d1k = 1, то выбранное значение Θk несовместимо с выбранным ранее значением Θ1. В этом случае необходимо вернуться к блоку 6 и выбрать новое значение Θk = Θk + 1.
10. При первом обращении к блоку 10, на начальном этапе составления допустимого набора, определяются параметры групп первой ступени G12, в которые могут быть объединены n1 подмножеств М1: d12=(Θ1, Θ2), NG12 полн из выражения (4.25), n1(G12 неполн) из выражения (4.26), α1 из выражения (4.42). Поскольку в данном случае jk = j1, то α1 = 0.
При последующих обращениях к блоку 10 определяются параметры групп первой ступени Gjk, в которые могут быть объединены nj подмножеств Mj: djk = (Θj, Θk), NGjk полн из выражения (4.25), nj(Gjk неполн) из выражения (4.26), α1 из выражения (4.42). В данном случае в выражении (4.42) принимается j 0 = j, jk = k, j1 = j + 1. Значение dj(j+1) = (Θj, Θj+1) определяется на предыдущих этапах составления допустимого набора.
11. Определяется число zjk(nj) запрещенных для подмножеств Mk позиций в кадре многоканальной измерительной системы, создаваемых подмножествами Mj, j=1, 2,…, k–1.
При переходе к блоку 11 от блока 10 число запрещенных позиций zjk(nj) определяется из выражения (4.51).
При переходе к блоку 11 от блока 20 число запрещенных позиций zjk(nj) определяется следующим образом:
• при группировании подмножеств Mj в группы второй ступени – из выражения (4.50);
• при группировании подмножеств Mj в группы третьей ступени – из выражения (4.49);
• при группировании подмножеств Mj в группы четвертой и более высоких ступеней – из выражения (4.48).
12. Проверяется потенциальная возможность объединения подмножеств Mj в группы второй и более высоких ступеней. Это возможно только при k – j ≥ 2. Если группа второй и более высокой ступени из подмножеств Mj не может быть образована, то есть k – j < 2, то осуществляется переход к блоку 13, в противном случае – к блоку 21.
13. Общее число позиций Zk в кадре многоканальной измерительной системы, запрещаемое для подмножеств Mk всеми подмножествами Mj, определяется выражением (4.52).
14.Число подмножеств Mk, которое может быть реализовано при заданных числах n1, n2,…, nj,…, nk-1 подмножеств М1, М2,…, Mj,…, Mk–1, объединенных в группы соответствующих ступеней, определяется выражением (4.53).
15. Если реализуемое число подмножеств Mk не менее заданного числа nk, то осуществляется переход к выбору очередного элемента набора, то есть к блоку 16. Если же заданное число nk подмножеств Mk при выбранном Θk не может быть реализовано, то есть < nk, то необходимо выбрать новое значение Θk, возвратившись к блоку 6.
16. Переход к выбору следующего элемента набора осуществляется увеличением индекса выбираемого элемента на единицу: k = k + 1.
17. Осуществляется проверка того, что индекс k очередного выбираемого элемента не превосходит числа р заданных разных частот опроса. Если это условие выполняется, то осуществляется переход к блоку 6. Если при очередном витке составления допустимого набора значение индекса k превысит число р, то это означает, что проведен перебор всех разных относительных периодов от Θ1 до Θk. В этом случае осуществляется переход к блоку 24.
18. Блок 18 включается в процедуру формирования допустимого набора при k≥3. Выбранное значение Θk проверяется на совместимость с раннее выбранными значениями Θ1, Θ2,…, Θk-1. Для этого вычисляется наибольший общий делитель d12…k = (d12…k–1, Θk), и проверяется условие (4.23). Если это условие выполняется, то есть d12…k >1, то происходит переход к блоку 19. В противном случае осуществляется возврат к блоку 6 для выбора нового значения Θk.
19. Проверяется, возможно ли объединение подмножеств Mj в группы выше второй ступени. Чтобы блок 19 использовать для всех , введена вспомогательная переменная g. Начальное значение g устанавливается при первом обращении к блоку 19 от блока 18 и при последующих обращениях от блока 21: g:=0. В блоке 19 осуществляется проверка условия

k – j – g > 1. (4.63)

Этим условием осуществляется проверка существования групп ниже (k–1)-й ступени, но выше второй ступени, образованных следующими двумя процессами:
1) снижением ступени группирования подмножеств Mj при фиксированном значении j за счет увеличения значения переменной g:= g+1;
2) снижением ступени группирования подмножеств Mj при фиксированном g=0 за счет приближения значения индекса j к индексу k на очередном витке определения zjk(nj) в блоке 11.
Возможность объединения подмножеств Mj в группы выше второй ступени при выполнении условия (4.63) определяется условием (4.24). Поэтому в блоке 19 определяются при заданных j и g наибольшие общие делители: dj(j+1)…(k–g) = (Θj, Θj+1,…, Θk–g) и dj(j+1)…(k–g–1) = ( Θj, Θj+1,…, Θk–g–1). Далее проверяется условие (4.24): dj(j+1)…(k–g) < dj(j+1)…(k–g–1).
Если это условие выполняется, то группирование подмножеств Mj в группы второй и более высоких ступеней возможно, поэтому следует перейти к выполнению операций блока 20.
В противном случае необходимо снизить ступень группирования, то есть перейти к блоку 22.
20. Определяются следующие параметры групп:
• число полных групп (k–j)-й ступени, в которые могут быть объединены nj подмножеств Mj – из выражения (4.25);
• число подмножеств Mj в неполной группе (k–j)-й ступени – из выражения (4.26);
• число полных групп меньших ступеней, вплоть до групп первой ступени, содержащихся в неполной группе (k–j)-й ступени – из выражения (4.27);
• число подмножеств Mj в неполных группах меньших ступеней, вплоть до групп первой ступени, – из выражения (4.28);
• коэффициенты α – из выражений (4.42), (4.43) или (4.44), в зависимости от ступени группы;
• коэффициенты β – из выражений (4.45), (4.46) или (4.47), в зависимости от ступени группы;
• для j ≥ 2 определяется на основании выражений (4.35), (4.39), (4.41) число групп, в которые могут быть объединены подмножества Mj при условии, что существуют группы соответствующих ступеней подмножеств М1, М2,…, Mj-1.
21. При выявлении в блоке 12 потенциальной возможности объединения подмножеств, следующих за рассматриваемым на данном этапе составления набора, в группы второй и более высоких ступеней, то переход к группированию этих подмножеств осуществляется увеличением индекса j на единицу: j = j + 1.
22. Если в блоке 19 установлено, что условие (4.24) не выполняется, то требуется снижение ступени группирования подмножеств Mj. При фиксированном значении j снижение ступени группирования подмножеств Mj осуществляется за счет увеличения значения переменной g:= g+1.
23. Осуществляется проверка новой ступени группирования подмножеств Mj в соответствии с условием (4.63). Если это условие выполняется, осуществляется переход к блоку 19 для проверки ее реализуемости.
Если при понижении ступени группирования подмножеств Mj достигается первая ступень, то есть условие (4.63) не выполняется, то происходит переход к блоку 10 для определения параметров полученной группы первой ступени.
24. При завершении рассмотрения всех разных относительных периодов от Θ1 до Θk производится запись сформированного допустимого набора относительных периодов {Θ1, Θ2, …, Θk}, обеспечивающего реализацию сигналов опроса многоканальной измерительной системы с заданными параметрами (частотами дискретизации FДj и числом каналов nj) и удовлетворяющего условиям (4.54) – (4.56).
25. Поскольку возможности формирования допустимого набора при данном диапазоне значений Θp могут быть не до конца исчерпаны, следует вернуться к рассмотрению оставшихся неиспользованных значений Θp. Для этого индексу k следует присвоить значение р: k = p. После этого вернуться к блоку 6.
26. Переход к предыдущему элементу набора осуществляется с помощью уменьшения индекса текущего элемента набора на единицу: k: = k – 1.
27. Проверяется, произошел ли возврат к начальному элементу набора (k=1) или ко второму, третьему и последующим элементам набора, предшествующим k-му элементу (k>1). В первом случае осуществляется переход к блоку 4, во втором – к блоку 6.
28. К моменту перехода к блоку 28 имеется несколько вариантов допустимых наборов, зафиксированных в блоке 24. В блоке 28 осуществляется анализ этих наборов по критериям минимального значения относительного кадра Θ*мин (условие (4.61)) или минимального значения суммарного потока V*мин (условие (4.62)) на входе группового тракта многоканальной измерительной системы.
Для выбранного набора относительных периодов {Θj} уточняются значения частот опроса, с которыми реально будут опрашиваться соответствующие датчики. Для этого из (4.57) для каждого элемента Θj определяются суммарные потоки отсчетов

. (4.64)

Среди всех значений Vuj выбирается максимальное значение maxVu и для каждого уточняются значения частот опроса

. (4.65)
Значения числа сигналов опроса n1, n2,…, np–1 принимаются равными заданным, а np = np*, вычисленному в блоке 14.
В результате выбора набора {Θj} известен порядок группирования подмножеств Mj. Для общности принимается j = j0. Номера начальных членов подмножеств , объединенных в группы i-й ступени , , можно определить, используя (4.19) и (4.21), следующим образом.

, (4.66)

где , , ,
– общее число групп i-й ступени, в которые могут быть объединены подмножеств .
Числа всех подмножеств , объединенных в группы i-й ступени , получаются из (4.66) добавлением слагаемого в соответствии с (4.5):

, (4.67)

где .

При программной реализации сигналов опроса числа (4.67) определяют номера ячеек памяти, в которые записаны адреса соответствующих датчиков, опрашиваемых с частотой опроса . При аппаратной реализации сигналов опроса числа (4.67) определяют номера Ni соответствующих состояний устройства формирования этих сигналов.
Программа, реализующая описанный алгоритм, была построена в оболочке Delphi 7. Ее текст с необходимыми пояснениями приведен в Приложении к настоящей работе. Экспериментальная часть записки – раздел 9 – посвящена отладке данной программы, описанию ее работы, проведению и результатам экспериментов. Забегая вперед, можно отметить, что результаты расчетов при помощи программы заданной в ТЗ измерительной системы подтвердили результаты информационного расчета, проведенного в п. 3. Здесь, очевидно, сказывается относительная простота системы, которая позволила сделать логические выводы на основе данных ТЗ. В других же случаях, при увеличении числа датчиков и большем многообразии относительных периодов их опроса, разработанная программа будет служить удобным инструментом, упрощающим практическую разработку информационно-измерительных систем.




5 Выбор технических средств для реализации многоканальной информационно-измерительной системы

В общем виде структурную схему передатчика многоканальной информационно-измерительной системы можно представить в виде, показанном на рисунке 5.1. Здесь использованы следующие обозначения: D1 … DN – датчики; КУ1 … КУN – аналоговые ключевые устройства.


Рисунок 5.1 – Техническая реализация опроса датчиков

Физически процесс опроса датчиков представляет собой поочередное подключение выходов датчиков (D) к входу группового тракта с помощью соответствующих аналоговых ключевых устройств (КУ). Ключевое устройство обеспечивает соединение входной цепи с выходной при поступлении на его управляющий вход соответствующего сигнала опроса. Частота повторения сигналов опроса для каждого ключевого устройства определяется частотой опроса датчика, подключаемого этим КУ к входу группового тракта. Сигналы управления ключевыми устройствами (сигналы опроса) формируются устройством формирования сигналов опроса.
Устройство формирования сигналов опроса может быть реализовано аппаратно на основе счетчиков с различным коэффициентом счета и дешифраторов или программно с выводом сигналов опроса через соответствующий интерфейс на ключевые устройства.
Согласно ТЗ, максимальная частота в спектре сигналов с датчиков составляет 100 Гц, поэтому особых требований к высокочастотности аналоговых устройств системы не предъявляется, что было показано ранее на примере АЦП – устройства, которое в соответствии со схемой рис. 5.1 устанавливается на входе группового тракта, после объединения сигналов датчиков в один канал при помощи КУ.
Техническое задание оговаривает полосу частот сигналов с датчиков, но не определяет их амплитуду. Поэтому следует принять, что датчики могут вырабатывать сигнал с напряжением начиная от, например, порядка милливольт и вплоть до нескольких вольт. Меньший по амплитуде сигнал может быть усилен отдельными усилителями, своими для каждого датчика и устанавливаемыми перед каждым КУ. Тогда в схеме системы можно использовать аналоговые ключи (коммутаторы) широкого применения.
Рис. 5.1 дает лишь общее представление о структурной схеме передающей части системы. Он будет уточнен и дополнен в следующем разделе, при составлении развернутой структурной схемы.
Соответственно, будет усложнена и приемная часть системы. Так, например, выше указывалось на необходимость передавать по каналу связи информацию о моментах прихода каждого значащего отсчета, то есть сигнал тактовой частоты. Для выбранного способа опроса датчиков тактовая частота строго определяется частотой 1/ТК, которая априори будет присутствовать в спектре передаваемого по каналу связи сигнала. Таким образом, ее «домешивание» в сигнал группового тракта в передатчике, на первый взгляд, не требуется. Однако для правильного определения начала каждого кадра в приемнике, то есть начала цикла разделения сигнала по каналам, в передаваемый сигнал на передающей стороне необходимо включить короткие синхроимпульсы особой формы или амплитуды, следующие с периодом ТКАДР и привязанные к началу кадра, которые будут затем выделяться из общего сигнала в приемнике. Для этого передатчик дополняется специальным узлом формирования синхроимпульсов.
В приемнике устанавливается соответствующий узел выделения синхроимпульсов, например, пороговое устройство (если они имеют амплитуду выше максимальной амплитуды полезного сигнала). Тактовую же частоту можно сформировать двумя путями. В приемнике можно предусмотреть отдельный узел формирования тактового сигнала. Он будет выделять из входной последовательности спектральную составляющую максимальной частоты, например, при помощи фильтра, и затем ограничивать/усиливать сигнал с данной частотой до стандартных цифровых уровней. Полученные тактовые импульсы будут управлять устройством разделения каналов приемника. Иначе, тактовые импульсы может генерировать отдельный стабильный тактовый генератор, поскольку их частота задана и неизменна. Синхроимпульсы в этом случае должны синхронизировать работу тактового генератора и служить для подстройки его частоты.
Большое значение для дальнейшей разработки имеет выбор канала связи системы. Если исключить из ее будущей структурной схемы АЦП, канал связи можно сделать аналоговым, передавая по нему дискретизованный по времени аналоговый сигнал, который будет преобразовываться в цифровую форму (для обработки) уже на приемной стороне. Такая организация тракта имеет массу недостатков, главный из которых – низкая помехоустойчивость. Любая помеха, даже небольшой амплитуды и/или ограниченная по спектру, будет полностью искажать полезный сигнал, уничтожая часть передаваемой им информации.
Существует ряд способов повышения помехозащищенности аналоговых каналов связи, среди которых для проводных линий можно выделить передачу и восстановление сигнала в дифференциальной форме, а для проводных и беспроводных – методы амплитудно-импульсной (АИМ-ЧМ) и время-импульсной (ВИМ-АМ) модуляции сигналов. Дифференциальный метод хорошо работает только на сравнительно небольших расстояниях между передатчиком и приемником сигнала. Методы модуляции усложняют схему системы, при этом не всегда обеспечивая требуемые параметры по быстродействию и помехоустойчивости, а с разрабатываемой многоканальной системой они и вовсе плохо сочетаются по принципам преобразования. Точнее говоря, выбранный метод опроса датчиков в системе как раз и представляет собой амплитудно-импульсную модуляцию, но полезный сигнал имеет сложную, скачкообразно меняющуюся форму (опрашивается целый ряд датчиков) и не является гармоническим. Между тем, метод АИМ обеспечивает высокую помехозащищенность канала связи только для гармонических сигналов, которые выделяются на фоне помехи вида «белый шум».
В целом, хотя аналоговые каналы связи в ряде особых случаев используются и в настоящее время, они признаны устаревшими ввиду широкого развития цифровых средств передачи.
Преимуществом цифровых каналов связи, помимо высокой помехоустойчивости, является их широкая распространенность и стандартизация протоколов передачи данных. Например, тракт разрабатываемой системы может представлять собой участок локальной вычислительной сети предприятия или глобальной сети Интернет, причем сам принцип передачи с одинаковым успехом может быть как проводным (витая пара, коаксиальный или оптический кабель), так и беспроводным (Wi-Fi модем, Bluetooth, сотовая или спутниковая связь и т.п.). Выбор канала связи в данном случае определяется конкретными условиями применения системы – удаленностью ее передающей и приемной частей, расположением испытательного стенда новой техники в конкретном месте (например, в защищенной камере, на полевых испытаниях на открытой местности и т.д.). При этом схема системы никак не меняется, просто к выходу передатчика и к входу приемника подключаются стандартные оконечные устройства в зависимости от выбранного вида канала.
Таким образом, в схеме передающей части разрабатываемой информационно-измерительной системы вслед за АЦП должен присутствовать кодер, преобразователь цифрового сигнала, модулятор и собственно передатчик сигнала. В функции данных узлов входит кодирование цифрового сигнала по специальным алгоритмам для повышения помехоустойчивости канала, преобразование параллельных цифровых данных в поток последовательной цифровой информации, модулирование этим потоком несущей частоты передатчика (частоты гетеродина), усиление и поставку в канал связи сформированного передаваемого сигнала.
Как правило, в современных системах передачи данных (в том числе и Интернет-модемах) для обработки цифрового сигнала, то есть реализации части схемы от выходов АЦП до входа модулятора, применяют так называемы цифровые сигнальные процессоры (ЦСП, или в английской аббревиатуре DSP). Ниже данная специализированная интегральная микросхема будет рассмотрена подробнее.
Для того, чтобы согласовать цифровые выходы DSP с аналоговым входом модулятора, удобно применить прямой цифровой синтезатор частот (direct digital syntesis – DDS), речь о котором также пойдет чуть ниже.
Пока можно сказать, что в схеме передатчика будет работать цепочка АЦП – ЦСП – DDS – модулятор – усилитель – канал связи. Для работы ЦСП также необходим генератор тактовой частоты, а на модулятор должен поступать сигнал гетеродина.
Выбор технических средств для реализации информационно-измерительной системы, таким образом, будет определяться набором узлов, входящих в ее передающую и приемную части. В соответствии с приведенными выше соображениями, передающая часть будет состоять из:
- усилителей сигналов датчиков;
- аналоговых ключей;
- устройства формирования сигналов опроса датчиков;
- устройства формирования синхроимпульсов;
- АЦП;
- ЦСП;
- прямого цифрового синтезатора частот;
- гетеродина (синтезатора несущей частоты);
- модулятора;
- усилителя модулированного выходного сигнала.
Таким образом, в схеме аналоговые сигналы датчиков вначале преобразуются в цифровую форму, затем с ними происходит ряд цифровых преобразований, а затем сформированный цифровой сигнал вновь преобразуется в аналоговый и передается в канал связи на высокой частоте. Данная схема не является избыточной ввиду всех перечисленных выше преимуществ: использования микросхем широкого применения, стандартных устройств и каналов связи, высокой степени помехозащищенности и достоверности передачи информации. При схемотехнической реализации она не требует большого числа законченных элементов.
В приемнике информационно-измерительной системы сигнал последовательно проходит соответствующие обратные преобразования, поэтому его структура будет содержать следующие узлы:
- усилительный тракт приемника с гетеродином и преобразователем частоты;
- детектор сигнала;
- АЦП;
- декодер на основе ЦСП;
- ЦАП;
- усилитель аналогового сигнала низкой частоты;
- устройство выделения синхроимпульсов;
- устройство формирования сигналов разделения каналов;
- демультиплексор (аналоговые ключи разделения каналов);
- фильтры нижних частот, восстанавливающие непрерывную форму сигналов в каждом канале.
Данная структура приемника будет актуальной, если на приемной стороне информационно-измерительной системы необходимо выделить и восстановить аналоговые сигналы каждого из датчиков. Однако такое требуется далеко не всегда – сигналы могут выделяться на цифровом уровне и записываться, например, в память компьютера (в файлы на его жесткий диск), параллельно отображаясь на экране монитора в реальном времени. Именно такую структуру должна иметь ИИС в соответствии с ТЗ на проект. Поэтому приемник в данном случае будет иметь следующую структуру:
- усилительный тракт приемника с гетеродином и преобразователем частоты;
- детектор сигнала;
- АЦП;
- декодер;
- преобразователь цифрового сигнала с выделением сигналов, принятых от отдельных датчиков;
- устройство записи принятой информации;
- цифровое устройство обработки сигналов для формирования видеосигнала на монитор;
- монитор, отображающий модели непрерывно меняющихся сигналов датчиков.
Цифровые узлы приемника могут быть реализованы на основе ЦСП, микропроцессорных систем или компьютеров – персональных либо профессиональных. При этом ряд узлов, реализуемых программным путем, объединяется в рамках одной цифровой системы (платы микропроцессора или ПК).
Разработка, выполненная в настоящем разделе, будет использована в следующем разделе для обоснования структурной схемы ИИС.
Для завершения выбора технических средств следует рассмотреть особенности построения и элементную базу перечисленных узлов передатчика и приемника. Хотя разработка принципиальной схемы требуется только для устройства формирования сигналов опроса датчиков, выбор активной элементной базы остальной схемы поможет более подробно понять ее работу и технические характеристики. Далее будет рассмотрен, в основном, такой выбор для передающей части системы, которая в данной работе исследуется и разрабатывается более подробно.

5.1 Выбор усилителей сигналов датчиков

В качестве усилителей сигналов датчиков можно выбрать операционные усилители широкого применения, если только к ним из-за специфики конкретных датчиков не предъявляются специальные требования. Как правило, при использовании в ИИС последующей цифровой обработки сигналов датчиков, да и в целом ряде других случаев, следует позаботиться об обеспечении гальванической развязки цепей датчиков от последующей схемы.
Не уточняя структуру принципиальной схемы узла, можно рекомендовать в качестве усилителя микросхему ОУ КР140УД608 (рисунок 5.2; зарубежный аналог – например, ОРА27GP), а в качестве узла гальванической развязки – оптроны 4N35 производства компании Fairchild (рисунок 5.3; отечественный аналог – АОТ128А). ОУ включается по стандартной схеме инвертирующего или неинвертирующего усилителя постоянного тока, в которой необходимо предусмотреть термокомпенсацию и подстройку коэффициента усиления. ОУ питается от отдельного источника. На его выходе устанавливается транзисторная оптопара, выходной фототранзистор которой включается в верхнее плечо делителя напряжения питания схемы и обеспечивает плавное изменение аналогового сигнала.


Рисунок 5.2 – Операционный усилитель ОРА27, внутренняя схема и цоколевка

Рисунок 5.3 – Транзисторная оптопара 4N35, внутренняя схема и цоколевка

Операционный усилитель постоянного тока в состоянии обеспечить коэффициент усиления до нескольких сотен и работает в широком диапазоне частот, обладая входным сопротивлением порядка мегаом. Оптопара обладает достаточным для системы быстродействием и линейной передаточной характеристикой.
Иногда, если данное решение будет не в состоянии обеспечить высокие требования по временной и температурной стабильности коэффициента усиления, вместо него потребуется применить промышленные модули предварительных измерительных усилителей (например, TDA Zet). В ряде случаев необходимость в усилении сигналов датчиков отпадает вовсе, тогда данный узел можно исключить (или, при необходимости, оставить только оптоэлектронную развязку входа).

5.2 Выбор аналоговых ключей

Аналоговые ключи выпускаются целым рядом известных производителей микроэлектроники и могут обладать подчас очень высокими эксплуатационными характеристиками – малым переходным сопротивлением в открытом состоянии, большой скоростью переключения, высокой степенью изоляции выходов от входов. В рассматриваемом случае особых требований в этом плане к приборам не выдвигается, основными будут являться небольшая стоимость и широкая распространенность аналоговых ключей. Одним из их популярных производителей является компания Analog Devices. Предлагается использовать счетверенные аналоговые ключи ее производства ADG1312 (рисунок 5.4). Они допускают управление цифровыми уровнями КМОП-микросхем, могут питаться от однополярного источника положительного напряжения 12 В или двуполярного 15 В. Сопротивление ключа в открытом состоянии – 130 Ом, максимальная частота переключения – 1 МГц.


Рисунок 5.4 – Аналоговый ключ ADG1312, внутренняя схема и цоколевка

Важным для последующей разработки принципиальной схемы формирователя сигналов опроса является логические уровни переключения данных ключей: при логическом нуле на их управляющих входах ключ закрыт, при логической единице – открыт. Всего для 64 каналов в данной ИИС необходимо использовать 64 / 4 = 16 корпусов ИМС ADG1312.

5.3 Выбор схемотехники устройства формирования сигналов опроса датчиков

Как упоминалось выше, алгоритм опроса датчиков с индивидуальными частотами может быть реализован двумя способами – аппаратно и программно. В последнем случае модуль формирования сигналов опроса будет представлять собой микропроцессор, в память которого зашита управляющая программа. При большом количестве датчиков организовать их управление напрямую не удастся ввиду ограниченного количества выходных (управляющих) шин процессора, поэтому придется применить систему дешифрации, тактирования и коммутации управляющих сигналов, что существенно усложнит схему и лишит ее очевидного преимущества – простоты схемотехнической реализации.
Хотя число датчиков согласно ТЗ сравнительно невелико и равно 64, в пользу аппаратного решения модуля формирования сигналов опроса говорит и тот факт, что, согласно ТЗ, в проекте требуется разработать принципиальную схему модуля, тогда как в случае применения микропроцессора речь шла бы, скорее, о разработке программного обеспечения для МК на уровне Ассемблера.
Аппаратная реализация модуля позволит четко уяснить принципы формирования сигналов опроса. Для нее потребуются кольцевые делители, собранные на счетчиках с переменными коэффициентами деления. Такие счетчики легко реализуются на экономичных цифровых КМОП-ИМС невысокой степени интеграции, наиболее распространенными из которых являются ИМС серии К561. Быстродействие серии с запасом перекрывает наибольшую рабочую частоту счетчиков.
На ИМС той же серии легко можно реализовать и устройство формирования синхроимпульсов, однако его разработка выходит за пределы настоящего проекта.
Для реализации принципиальной схемы формирователя импульсов опроса можно использовать счетчики, кратко рассмотренные ниже.
Микросхема К561ИЕ8 – десятичный счетчик со встроенным дешифратором (рисунок 5.5, а). Микросхемы имеют три входа – вход установки исходного состояния R, вход для подачи счетных импульсов отрицательной полярности CN и вход для подачи счетных импульсов положительной полярности СР. Установка счетчика в 0 происходит при подаче на вход R логической 1, при этом на выходе 0 появляется логическая 1, а на выходах 1 – 9 – логический 0.
Переключение счетчика происходит по спадам импульсов отрицательной полярности, подаваемых на вход CN, при этом на входе СР должен быть логический 0. Можно также подавать импульсы положительной полярности на вход СР, переключение будет происходить по их спадам. На входе CN при этом должна быть логическая 1. Временная диаграмма работы счетчика приведена на рисунке 5.5, б.

а) б)
Рисунок 5.5 – Условное обозначение счетчика К561ИЕ8 (а) и диаграмма работы (б)

Микросхема К561ИЕ14 — четырехразрядный реверсивный счетчик. Он может работать как двоичный и как десятичный делитель (рисунок 5.6, а). Внутренняя структура счётчика для увеличения быстродействия снабжена схемой ускоренного переноса.
Счётчик имеет четыре раздельных выхода QO — Q3 и выход переноса Свых. Вход тактовых импульсов С единый для счета на увеличение и уменьшение. Когда на вход переключения направления счета U поступает напряжение низкого уровня, счет будет уменьшаться, если высокое – увеличиваться.
Запрещается счет с помощью высокого уровня на входе переноса PI. С помощью входа разрешения предварительной записи S (когда на нем присутствует напряжение высокого уровня) можно записать в счетчик начальный код, воспользовавшись входами SO — S3. Если на эти выводы поданы напряжения низких уровней, то соответствующие разряды получают нулевой отсчет. Если на входах PI и S присутствуют напряжения низких уровней, счетчик дает приращение (уменьшение) содержимого на 1 при каждом положительном тактовом перепаде.

а) б) в)
Рисунок 5.6 – Счетчики К561ИЕ14 (а), К561ИЕ15 (б) и К561ИЕ16 (в)

На выходе переноса Р нормальное напряжение высокого уровня. Оно переключается к низкому уровню, если в режиме «больше» счет стал максимальным (или минимальным в режиме «меньше»). В это время на входе PI сигнал разрешающий (напряжение низкого уровня). Если вывод PI не используется, то его необходимо подключить к нулю.
Счет будет вестись в двоичном формате, если на входе В (Бинарный/Децимальный) присутствует напряжение высокого уровня. Счет будет десятичным, если на вход В подано напряжение низкого уровня.
Максимальная тактовая частота для счетчика К561ИЕ14 2 МГц (при Uип = 10 В), время установления режимов после их переключения — более 460 нс, длительность времени импульса предварительной записи по входам S0 — S3 не менее 320 нс.
Микросхема К561ИЕ15 – делитель частоты с переключаемым коэффициентом деления (рисунок 5.6, б). Микросхема имеет четыре управляющих входа K1, K2, К3, L, вход для подачи тактовых импульсов С, шестнадцать входов для установки коэффициента деления 1 – 8000 и один выход.

Микросхема имеет несколько вариантов задания коэффициента деления, диапазон изменения его составляет от 3 до 21327. В наиболее простом максимально возможный коэффициент деления составляет 16659. Для этого варианта на вход К3 следует постоянно подавать логический 0.
Вход К2 служит для установки начального состояния счетчика, которая происходит за три периода входных импульсов при подаче на вход К2 лог. 0. После подачи 1 на вход К2 начинается работа счетчика в режиме деления частоты. Коэффициент деления частоты при подаче 0 на входы L и К1 равен 10000 и не зависит от сигналов, поданных на входы 1 – 8000. Если на входы L и К1 подать различные входные сигналы (0 и 1 или 1 и 0), коэффициент деления частоты входных импульсов определится двоично-десятичным кодом, поданным на входы 1 – 8000. Для примера на рисунке 5.7 показана временная диаграмма работы микросхемы в режиме деления на 5, для обеспечения которого на входы 1 и 4 следует подать 1, на входы 2, 8 – 8000 – 0 (К1 не равно L).


Рисунок 5.7 – Временная диаграмма работы микросхемы К561ИЕ15

Длительность выходных импульсов положительной полярности равна периоду входных импульсов, фронты и спады выходных импульсов совпадают со спадами входных импульсов отрицательной полярности. Первый импульс на выходе микросхемы появляется по спаду входного импульса с номером, на единицу большим коэффициента деления.
На входах 1 – 8 допустимые сочетания входных сигналов должны соответствовать двоичному эквиваленту десятичных чисел от 0 до 9. На входах 10 – 8000 допустимы произвольные сочетания, то есть возможна подача на каждую декаду кодов чисел от 0 до 15.
Микросхема К561ИЕ16 – четырнадцатиразрядный двоичный счетчик с последовательным переносом (рисунок 5.6, в). У микросхемы два входа – вход установки начального состояния R и вход для подачи тактовых импульсов С. Установка триггеров счетчика в 0 производится при подаче на вход R логической 1, счет – по спадам импульсов положительной полярности, подаваемых на вход С. Счетчик имеет выходы не всех разрядов – отсутствуют выходы разрядов 21 и 22. Коэффициент деления одной микросхемы К561ИЕ16 составляет 214 = 16384.

5.4 Выбор АЦП

АЦП последовательного приближения (см. п. 3.2) выбирается на 16 разрядов с быстродействием не менее 2 • 104 преобразований в секунду. Данным требованиям при высокой линейности преобразования хорошо соответствует микросхема ADS837 производства компании Texas Instruments (рисунок 5.8).
Это – 16-разрядный АЦП последовательного при¬ближения, который характеризуется наивысшей линейностью среди АЦП данного класса. ADS8372 характеризируется 16-разрядным раз¬решением без пропущенных кодов, а также скоростью преобразования данных 600 тысяч преобразований в се¬кунду, максимальной интег¬ральной нелинейностью 0,75 младшего значащего разряда (МЗР) и дифференциальной нелинейностью не хуже 0,5 МЗР во всем индустриальном температурном диапазо¬не (-40°C - +85°C). АЦП ориентирован на решение задач обработки данных в реальном времени в автоматизированном испытательном оборудовании, медицинском оборудовании для обработки изображений, оптоволоконном сетевом обо¬рудовании, быстродействующих системах регулирования с обратной связью и системах сбора данных.
ADS8372 содержит все не¬обходимые вспомогательные элементы, в том числе источник опор¬ного напряжения и буферный усилитель, обеспечивающих рекордное значение по линей¬ности преобразования сигнала без дополнительных активных компонентов.
а)
б)
Рисунок 5.8 – АЦП ADS837: структурная схема (а) и цоколевка (б)

Входной каскад ADS8372 выполнен по полностью диф¬ференциальной, псевдобипо¬лярной схеме. АЦП выполнен по архитектуре последова¬тельного приближения с кон¬денсаторной схемой выбор¬ки-хранения и содержит источник опорного напряже¬ния 4,096 В, буферный усили¬тель напряжения и блок синхронизации преобразования. Для связи с управляющим ЦПУ предусмотрен высокос¬коростной КМОП SPI-совместимый последовательный интерфейс с частотой синх¬ронизации до 40 МГц.
К другим ключевым тех¬ническим характеристикам относятся дрейф смещения ±2⋅10-5 %/°C, отношение сиг¬нал-шум 94 дБ, свободный от гармонических искажений ди¬намический диапазон 120 дБ и потребляемая мощность 110 мВт при частоте преобразова¬ния 600 кГц (15 мкВт в режиме ожидания и 10 мкВт в режиме выключения).
ADS8372 оптимизирован для работы с высокоэффектив¬ными цифровыми сигнальны¬ми процессорами, выполнен¬ных на платформе TMS320.

5.5 Выбор сигнального процессора

Сигнальный процессор (ЦСП, или DSP) выбран соответствующим – популярный сигнальный процессор фирмы Texas Instruments TMS320С2412. Он относится к семейству C2000, серии TMS320.
Обладая производительностью до 40 MIPS, 16-битные контроллеры семейства C24x™ позволяют реализовывать различные алгоритмы управления. Набор однотактовых инструкций обеспечивает быстрое выполнение сложных математических вычислений в режиме реального времени, а гарвардская архитектура имеет ряд удобств при использовании векторной математики, часто используемой в задачах промышленной автоматизации. Модернизированная гарвардская архитектура контроллеров C24x обеспечивает максимальную скорость обработки данных благодаря наличию раздельных шин для программы и данных, позволяя одновременно читать данные и программные инструкции. Передача данных между двумя пространствами поддерживается программно.
Архитектура памяти контроллеров семейства C24x позволяет загружать коэффициенты из программной памяти непосредственно в ОЗУ, исключая необходимость в дополнительном ПЗУ для коэффициентов. Эта особенность, совместно с 4-уровневым конвейером, позволяет контроллерам семейства C24x выполнять большинство инструкций за один цикл.
Особенность DRAM-памяти, позволяющей осуществить две операции за один цикл, совмещённая с параллельной архитектурой обеспечивает контроллерам C24x возможность выполнять три одновременных операции с памятью за один машинный цикл.

Рисунок 5.9 – Архитектура DSP серии TMS320C24x

Представители семейства C24x обладают различным набором встроенных типов памяти, включающих однопортовое ОЗУ, ПЗУ и Flash-память. Все представители семейства изготавливаются по субмикронной комплементарной КМОП-технологии с пятью металлизациями.
Платформа TMS320C2000™ обладает высокой степенью интеграции периферийных устройств, свойственной микроконтроллерам и используемой для обработки смешанных сигналов, с высокой производительностью ядра цифрового сигнального процессора (DSP), встроенной перепрограммируемой flash-памятью, прецизионными аналоговыми, цифровыми и коммуникационными периферийными устройствами. Такой уровень интеграции упрощает разработки и удешевляет их, позволяя реализовывать однокристальные решения.
Модуль Flash-памяти с варьируемым объёмом от 16 to 256КБ позволяет разработчику многократно изменять программу в контроллере, в том числе и непосредственно в готовом изделии. Возможность перепрограммирования Flash-памяти обеспечивает максимальную лёгкость и удобство обновления программных версий приборов.
Flash-память контроллеров семейства C2000™ разбита на секторы, что позволяет пользователю программировать лишь часть памяти, не осуществляя предварительного полного стирания. Кроме этого, контроллеры семейства C2000™ обладают уникальной возможностью защиты кода 32-х или 64-битным паролем.


5.6 Выбор прямого цифрового синтезатора частот

ИМС DDS типа AD9852 компании Analog Devices. AD9852 (рисунок 5.10) при мень¬шей стоимости имеет лучшие параметры, чем более популярный 10-разрядный AD9850. 12-раз¬рядный AD9852 обеспечивается тактовой часто¬той, генерируемой либо кварцевым генератором, либо внешним источником с частотой 10 МГц, при использовании встроенного умножи¬теля тактовой частоты, который позволяет полу¬чить внутренние тактовые частоты, находящиеся в интервале от 80 до 120 МГц.


Рисунок 5.10 – Структурная схема ИМС AD9852
5.7 Выбор и деталировка синтезатора несущей частоты

Синтезатор частот с петлей ФАПЧ строится по функциональной схеме, представленной на рисунке 5.11. Он состоит из:
- ОГ – опорного генератора;
- кварцевого фильтра и компаратора – узла формирования сигнала для синтезатора PLL;
- PLL – синтезатора частот с петлей фазовой автоподстройки частоты, реализованного на одной ИМС состоящего из делителей частоты с различными коэффициентами деления, прескалера и фазо-частотного детектора;
- петлевого фильтра (С1 – С3, R1, R3) петли ФАПЧ;
- ГУН – генератора, управляемого напряжением;
- ФНЧ – фильтра нижних частот петли ФАПЧ;
- Ус. – усилителя сигнала несущей частоты для квадратурного повышающего преобразователя.
Микросхема про¬граммируемого синтезатора PLL – ADF4112 компании Analog Devices (рисунок 5.12). Эта микросхема PLL-синтезатора широко распространена, поскольку исполь¬зуется в устройствах радио- и сотовой связи. Ее низкая стоимость и простота использования делают ИМС привлекательной для любых радиотехнических устройств от УКВ до СВЧ.
В активном петлевом фильтре третьего порядка используется малошумящий операционный усилитель (ОУ) ОРА27. За ГУН установлена микросхема усилителя MGA81563 компании Agilent (рисунок 5.13), она обеспечивает усиление приблизительно на 16 дБ и работает в полосе 0,1 – 6 ГГц.
В качестве опорного генератора ОГ используется ИМС температурно компенсированного полупроводникового кварцевого осциллятора со встроенным кварцем KXO-900 компании GEYER (рисунок 5.14).


Рисунок 5.11 – Функциональная схема синтезатора частот с петлей ФАПЧ


Рисунок 5.12 – Структурная схема ИМС АDF4112

Рисунок 5.13 – Схема включения ИМС MGA81563


Рисунок 5.14 – Чертеж корпуса ИМС КХО-900 (7 –общй, 8 – выход, 14 – питание)

5.8 Выбор модулятора

В качестве модулятора используется квадратурный повышающий преобразователь, который выполнен на кремниевой монолитной ИМС квадратурного модулятора AD8346 компании Analog Devices. Микросхема работает на частотах гетеродина от 800 МГц до 2,5 ГГц (при частоте следования сигнала по каналам I/Q до 70 МГц) и обеспечивает уровень среднеквадратичной выходной мощности –5 дБм при размахе напряжения 1,2 В на входах I и Q. Точка компрессии на 1 дБ по выходу модуля¬тора равна 0 дБм. Уменьшение выходного уровня на 15 дБ относительно этой величины обеспечи¬вает оптимальные параметры спектра для сиг¬нала квадратурной фазовой модуляции QPSK, равно как и уровень модулирующих входных сигналов с размахом примерно 750 мВ на дифференциальных входах I/Q, измеренный отно¬сительно смещения по постоянному току. Структурная схема ИМС AD8346 представлена на рисунке 5.15.


Рисунок 5.15 – Структурная схема и цоколевка ИМС AD8346

5.9 Выбор усилителя модулированного выходного сигнала

Для регулировки усиления на выходе квадратурного преобразователя, который имеет согласованное выходное сопротивление 50 Ом, используется микросхема плавного управляемого напряжением аттенюатора AT-108 компании М/А-СОМ. Данный прибор на основе GaAs MESFET транзистора (рисунок 5.16) работает в диапазоне частот 0,5 – 3,0 ГГц и обеспечивает ослабление сигнала до 40 дБ при неравномерности характеристики ±2 дБ. Последующее усиление сигнала производится дву¬мя микросхемами каскадируемых широкополос¬ных усилителей SGA-4586 компании Sirenza Micro-devices и GALI-6 компании MiniCircuits (рисунки 5.17 и 5.18, соответственно), таким образом, усилитель выходного сигнала реализован двухкаскадным. Малошумящий широкополосный 50-омный СВЧ-усилитель SGA-4586 работает в диапазоне частот до 5 ГГц, его коэффициент усиления на частоте 2 ГГц составляет 24,0 дБ при коэффициенте шума 1,7 дБ. Широкополосный 50-омный монолитный СВЧ-усилитель GALI-6+ имеет частотный диапазон от 0 до 4ГГц, обеспечивая коэффициент усиления на частоте 2 ГГц порядка 10 дБ.

Рисунок 5.16 – Структурная схема и цоколевка ИМС АТ-108


Рисунок 5.17 – Схема включения и цоколевка ИМС SGA-4586


Рисунок 5.18 – Схема включения и цоколевка ИМС GALI-6

5.10 Краткое описание усилительного тракта приемной части системы с гетеродином, преобразователем частоты и детектором сигнала

Аналогичным образом, с применением современной элементной базы ведущих мировых производителей, строится и приемная часть ИИС. Следует отметить, что, начиная с модулятора в передающей части, сигнал имеет высокую частоту в СВЧ-диапазоне L (1 – 2 ГГц). Данная схема может быть использована для организации канала связи на основе сотовых принципов или с использованием спутников связи. Соответствующим образом строится и приемник. Он имеет усилитель высокой частоты, первый гетеродин и преобразователь, усилитель промежуточной частоты, второй гетеродин и преобразователь, усилитель видеочастоты (НЧ) и фазовый детектор. В перечисленных узлах могут использоваться некоторые из микросхем, описанных в предыдущих пунктах работы.
При использовании в качестве канала связи проводной линии частота модуляции и передачи сигнала смещается в более низкочастотную область. В этом случае построение оконечных каскадов передатчика и линейных каскадов приемника может быть построено по одной из стандартных схем, применяемых в интернет-модемах.

5.11 Выбор технической базы для реализации процедур цифровой обработки, записи и индикации сигнала в приемной части информационно-измерительной системы

Все цифровые узлы приемной части – декодер; преобразователь цифрового сигнала с выделением сигналов, принятых от отдельных датчиков; устройство записи принятой информации; цифровое устройство обработки сигналов для формирования видеосигнала на монитор – могут быть выполнены на базе стандартного персонального компьютера программным образом. Тогда монитором, на котором будут отображаться модели непрерывно меняющихся сигналов датчиков, будет служить монитор компьютера. Поскольку высоких требований к быстродействию цифровых узлов не предъявляется, ПК и монитор могут быть выбраны произвольно, исходя из минимальных системных требований: i486/66 МГц (Pentium или улучшенный процессор), ОС не хуже Windows 2000, ОЗУ 64 Мбайт или более, VGA-монитор или улучшенный. Данным требованиям удовлетворяют даже сравнительно устаревшие ПК.

6 Разработка структурной схемы многоканальной информационно-измерительной системы

Практически все соображения, необходимые для составления структурной схемы многоканальной ИИС, были высказаны и детализированы во вводной части предыдущего раздела. Структурная схема системы представлена на рисунке 6.1. По ней можно вкратце описать работу системы.


Рисунок 6.1 – Структурная схема информационно-измерительной системы

Передающая часть ИИС состоит из датчиков D1 … DN, усилителей сигналов датчиков, аналоговых ключей, тактового генератора импульсов опроса Г, устройства формирования сигналов опроса датчиков, устройства формирования синхроимпульсов (отсчетов начала кадров), АЦП, кодера, реализованного на ЦСП, и собственно передатчика.
Сигналы с датчиков D поступают на входы соответствующих усилителей, где усиливаются до амплитуд, номинальных для остальной части схемы (если датчики уже выдают номинальный сигнал, усилители из схемы исключаются). Далее усиленные сигналу поступают на аналоговые входы аналоговых ключей, которые образуют мультиплексор аналоговых данных. Ключи замыкаются поочередно, в соответствии с алгоритмом, заложенном в устройстве формирования сигналов опроса. Данные сигналы поступают с устройства формирования на цифровые входы ключей (входы управления). Каждый ключ замыкается с собственной частотой, при этом их опрос организован таким образом, что в данный конкретный момент времени замкнутым оказывается только один ключ из N штук.
Сформированный таким образом групповой дискретно-аналоговый сигнал поступает на АЦП, где преобразовывается в цифровую форму для дальнейшей обработки. Для повышения помехоустойчивости канала связи и обеспечения возможности выбрать в его качестве стандартные линии и системы связи (Интернет, локальную сеть, сотовый телефон, спутниковую связь и др.), канал связи реализует цифровой метод передачи информации. Цифровой сигнал обрабатывается в кодере, формирующем алгоритм помехоустойчивого кодирования, и подается на вход приемника. Здесь происходит его преобразование в соответствии с алгоритмами, принятыми в том или ином канале связи для передачи полезного сигнала.
В частности, одним из вариантов внутренней реализации передатчика может быть схема, состоящая из прямого цифрового синтезатора частот DDS, квадратурного модулятора с гетеродином, собранным на основе синтезатора частот с ФАПЧ, и усилителя мощности выходного аналогового сигнала (его обратное преобразование в аналоговую форму происходит в DDS). С выхода последнего усиленный модулированный сигнал поступает в канал связи.
Пройдя через канал, сигнал, ослабленный и содержащий помехи, усиливается и преобразуется с понижением частоты и детектированием до сигнала, содержащего исходный аналоговый групповой сигнал. АЦП, входящий в структуру приемника и аналогичный установленному в передающей части, преобразует аналоговый сигнал в цифровую форму для дальнейшей обработки, которая происходит в ПЭВМ.
Здесь программным образом реализуются следующие узлы: декодер, преобразователь цифрового сигнала с выделением сигналов, принятых от отдельных датчиков программа выделения сигналов датчиков), устройство записи (хранения) принятой информации, устройство обработки сигналов для формирования видеосигнала на монитор (программа формирования графических изображений).
В декодере устраняется влияние помех на полезный сигнал и в цифровом виде полностью восстанавливается информация, содержащаяся в передаваемом через канал связи групповом сигнале. Программа выделения сигналов, опираясь на информацию о синхроимпульсах, также содержащуюся в групповом сигнале, производит разделение сигналов каждого из датчиков. Эти сигналы поступают на запись и вывод на экран.
Сформированный программой формирования графических изображений видеосигнал поступает на монитор, где отображаются «нарисованные» программой модели (графики) непрерывно меняющихся сигналов датчиков.
Параллельно цифровая информация о состоянии каждого датчика, восстановленная в ПЭВМ в реальном времени из оцифрованного группового сигнала, записывается в средствах хранения информации (на жестком диске, оптических дисках или внешних флеш-накопителях).

7 Разработка функциональной схемы передающей части многоканальной информационно-измерительной системы

Далее рассматривается более подробная детализация передающей части ИИС, которая позволяет составить функциональную схему передающей части системы. Прежде всего, необходимо детализировать структуру устройства формирования сигналов опроса датчиков.
При аппаратной реализации сигналов опроса с разными периодами повторения выражению (4.1) (все обозначения см. в разделе 4) можно сопоставить устройство формирования сигналов опроса (рисунок 7.1), выполненное на основе системы кольцевых распределителей (КР) с общим их числом

, (7.1)

разделенных на q групп по cj кольцевых распределителей в каждой j-й группе (рисунок 1.7). Число внутренних состояний каждого кольцевого распределителя, входящего в j-ю группу равно bj. Соответственно число выходов, сигналы которых используются для формирования сигналов опроса, также равно bj. Эти выходы обозначены числами 0, 1, 2, … , (bj – 1).
Число внутренних состояний группы из cj кольцевых распределителей определяется значением сомножителя вида в выражении (4.1):

. (7.2)

Такое сопоставление позволяет более наглядно показать процесс получения максимально возможного количества различных делителей числа Θ, соответствующих разным периодам опроса.

Рисунок 7.1 – Смешанное включение кольцевых распределителей

Так как значения bj в (4.1) являются попарно взаимно простыми числами, то и числа Nj, определяемые (7.2), также будут попарно взаимно простыми числами.
Общее число N внутренних состояний системы из с кольцевых распределителей определяется произведением чисел внутренних состояний всех групп, то есть произведением

. (7.3)

Из сопоставления (7.3), (7.2) и (4.1) следует, что N = Θ, то есть число внутренних состояний системы из с кольцевых распределителей равно числу позиций в относительной длительности кадра.
Внутри каждой группы переключение каждого последующего кольцевого распределителя осуществляется сигналом «Перенос» с выхода каждого предыдущего кольцевого распределителя, то есть кольцевые распределители соединены последовательно. Первые в каждой группе кольцевые распределители переключаются одновременно тактовыми сигналами, поступающими с выхода генератора тактовых импульсов (ГТИ), то есть тактовые входы всех групп соединены параллельно. В целом, описанная структура соединения кольцевых распределителей по тактовым входам является структурой со смешанным запуском кольцевых распределителей.
Для детализации данной схемы к конкретному случаю ИИС следует вспомнить, что Θ = 800. Данное число можно записать согласно (4.1) в виде

Θ = 800 = 25 • 52.

Отсюда следует, что в разрабатываемой системе q = 2, поэтому применяется именно смешанное соединение, т.е. схема рис. 7.1. На схеме b1 = 2, c1 = 5; b2 = 5, c1 = 2..Таким образом, устройство формирования импульсов опроса должно содержать два ряда параллельно включенных кольцевых распределителей. При этом в верхнем ряде будет пять кольцевых распределителей с числом выходов по 2 у каждого, а в нижнем – два кольцевых распределителя с числом выходов по 5 у каждого.
В схеме будут использоваться те выходы, которые будут участвовать в создании последовательных импульсов опроса 64 датчиков. Поэтому необходимые выходы кольцевых распределителей будут соединяться со входами дешифраторов, формирующих импульсы опроса по тактовым импульсам ГТИ. При этом простые числа в соответствии с (4.3) будут возводиться в степень и объединяться следующим образом:

Θ 1 = 800 = 25 • 52; Θ 2 = 80 = 24 • 51; Θ 3 = 32 = 25 • 50; Θ 4 = 10 = 21 • 51.

Функциональная схема передающей части представлена на рисунке 7.2. Обозначения на ней соответствуют принятым стандартам для функциональных схем, поэтому одинаковые узлы на структурной и функциональной схемах выглядят по-разному.
На рис. 7.2 обозначены:

Рисунок 7.2 – Структурная схема передающей части многоканальной ИИС

1 – датчики (преобразователи произвольной величины Х, электрической или неэлектрической, в напряжение U), 64 шт.;
2 – усилители, 64 шт.;
3 – аналоговые ключи, 64 шт.;
4 – формирователь синхроимпульса (короткого сигнала в начале каждого кадра);
5 – генератор тактовых импульсов для модуля формирования сигналов опроса датчиков, который состоит из узлов 6, 7 и 8;
6 – кольцевые распределители на 2 выхода, 5 шт.;
7 – кольцевые распределители на 5 выходов, 2 шт.;
8 – дешифратор выходов распределителей;
9 – АЦП;
10 – цифровой сигнальный процессор;
11 – прямой цифровой синтезатор частоты;
12 – модулятор;
13 – гетеродин;
14 – усилитель группового сигнала, поступающего в канал связи.
Функциональные узлы 11 – 14 образуют приемник, обозначенный единым модулем на структурной схеме рис. 6.1.
Работа передающей части ИИС по функциональной схеме не нуждается в дополнительном описании, поскольку подробно описана выше, при выборе технических средств реализации ИИС и разработке структурной схемы.

8 Разработка принципиальной схемы модуля формирования сигналов опроса датчиков

Принципиальная схема модуля формирования сигналов опроса (рисунок 8.1) строится на основе разработки разделов 5 – 7 настоящего проекта. При выборе технических средств реализации системы было решено строить модуль аппаратным путем, на основе микросхем счетчиков цифровой КМОП-серии К561. Из всех рассмотренных в разделе 5 счетчиков для реализации кольцевых распределителей наиболее подходят микросхемы К561ИЕ8, которые содержат встроенный дешифратор, как раз и обеспечивающий кольцевое распределение сигналов по выходам.


Рисунок 8.1 – Принципиальная схема модуля формирования сигналов опроса

Для того, чтобы кольцевой распределитель на данной ИМС давал сигнал переноса и переключался в исходное состояние после обхода пяти выходов, выход «5» дешифратора (выход шестого такта) соединяется с входом сброса счетчика.
На данных ИМС можно было бы построить и кольцевые распределители на два выхода, соединив вход сброса с выходом «2». Однако такое решение избыточно. Кольцевые распределители на 2 выхода хорошо реализуются на счетном триггере с прямым и инверсным выходом (см. поясняющие графики в Приложениях, в Графической части работы).
Таким образом, кольцевые распределители на 2 выхода построены на 3 ИМС К561ТМ2 (DD1 – DD3), на 5 выходах – на 2 ИМС К561ИЕ8 (DD4, DD5). Генератор тактовых импульсов собран по типовой схеме на трех инверторах ИМС К561ЛН1 (DD7). В качестве дешифратора, согласующего логику распределителей с управляющими входами аналоговых ключей, применена программируемая логическая матрица, ИМС ПЛИС EPM3064A семейства MAX3000 фирмы Altera (DD6).

9 Экспериментальная часть: отладка программного обеспечения

Программное обеспечение, алгоритм которого разработан в разделе 4 настоящей работы, предназначено для расчета допустимых наборов относительных периодов опроса датчиков в многоканальной ИИС с индивидуальным опросом групп датчиков. Для упрощения программной реализации алгоритма, число групп опроса с различными частотами принято постоянным и равным четырем – для расчетов согласно ТЗ на проект.
Программа реализована в оболочке Delphi 7, она предельно проста в использовании и не требует никакой предварительной инсталляции на ПК. Для пользования программой необходимо переписать на жесткий диск ПК исполняемый файл Project1.exe и запустить его.
На экран монитора будет выведено диалоговое окно, которое позволяет ввести исходные величины и считать результаты расчетов (рисунок 9.1). Оператор последовательно, сверху вниз, в соответствии с надписями, приведенными в самой левой колонке окна, вводит в диалоговые блоки цифры, соответствующие исходным данным. После ввода всех цифр он нажимает кнопку «Считать».
В правой колонке диалоговых блоков появляются рассчитанные значения относительных периодов опроса. Если оператор ошибся при вводе (ввел не все значения исходных величин, ввел нулевые, повторяющиеся или отрицательные значения, ввел буквы вместо цифр), программа сообщит об ошибке и закончит работу.
Следует учитывать, что, если вводить частоты опроса не в порядке от меньшего к большему, программа выполнит их сортировку и выведет относительные частоты именно в таком порядке, присвоив им новую нумерацию.

Рисунок 9.1 – Интерфейс пользователя программы

10 Экономическая часть

10.1 Технико-экономическое обоснование темы проекта

В настоящем дипломном проекте решается задача разработки схемы многоканальной измерительно-информационной системы, обладающей высокой экономичностью передачи сигналов от ряда датчиков по каналу связи. Это достигается максимально возможным сужением полосы передаваемого сигнала, что, в свою очередь, обусловлено устранением незначащих отсчетов сигнала на входе группового тракта. Разработан оптимальный алгоритм выбора индивидуальных частот опроса каждой группы датчиков, обладающих одинаковыми характеристиками.
Рассматриваемая в качестве научно-исследовательской работы (НИР), данная задача заключается в выборе относительных периодов опроса датчиков, разработке структурной, функциональной и принципиальной схем ИИС, разводке печатной платы и вводу изделия в производство. На последнем этапе возникает также необходимость выбора способа изготовления изделия, технологии его монтажа, сборки и настройки.
Поэтому сущностью настоящего, технико-экономического раздела дипломной работы, будет расчет экономических показателей НИР: ее трудоемкости, продолжительности, затрат на оплату труда в процессе ведения НИР и расчет расходов и себестоимости изделия. Результатом расчетов будет набор стандартных технико-экономических показателей на радиоэлектронное изделие и выводы по экономической эффективности внедрения устройства в производство.
Задача НИР относится конкретно к области метрологии и средств измерений.



10.2 Составление ленточного графика

Для того, чтобы разработка системы проходила эффективно и организованно, без лишних затрат труда, материальных средств и в минимальные сроки, необходимо эффективное планирование.
Основной задачей планирования является распределение по срокам и исполнителям заданий на разработку объекта, а также определение общей продолжительности их проведения.
Так как объем исследований небольшой, то наиболее удобным, простым и наглядным является ленточный график проведения НИР. Предварительно составим таблицу10.1, где будут перечислены наименования этапов работ, исполнители и длительность выполнения каждого вида работ.
В работе участвуют два человека: руководитель проекта и разработчик.

Таблица 10.1 Определение затрат времени по этапам разработки проекта
№ Наименование этапов работ Должность исполнителя Продолжитель-
ность
1 Разработка и утверждение технического задания на НИР Руководитель 2
2 Ознакомление с существующими методами решения проблемы Разработчик 2,5
3 Подбор и изучение литературы по теме Разработчик 6
4 Составление аналитического обзора состояния разработки темы НИР Разработчик 2
5 Проведения анализа разных методов устранения незначащих отсчетов Руководитель, разработчик 4,5
6 Оформление теоретической части НИР Разработчик 5
7 Разработка экспериментальной части НИР Разработчик 3
8 Разработка структурной и функциональной схем системы Разработчик 4
9 Разработка принципиальной схемы Разработчик 5
10 Разработка математической модели для расчета частот опроса Разработчик 6
11 Обработка полученной информации и обсуждение результатов Руководитель, разработчик 4
12 Разработка блочного строения прибора Разработчик 1,5
13 Разработка печатных плат Разработчик 10
14 Разработка конструктивного исполнения Разработчик 6
15 Оформление конструкторской документации Руководитель, разработчик 5
16 Оформление отчета и составление выводов о проделанной работе Разработчик 2,5
17 Оформление раздела: «Экономическое обоснование НИР» Разработчик 6
18 Оформление графической части НИР Разработчик 8
19 Обобщение и рассмотрение результатов проведенной НИР и принятие работы в целом Руководитель, разработчик 4

На рисунке 10.1 в виде графика дано наглядное представление календарного плана проекта, в котором слева расположен иерархический перечень всех работ проекта (НИР), и справа – календарь с конкретными датами по рабочим неделям (5 дней). Работы обозначены полосками, связи между работами – стрелками.


Рисунок 10.1 – Календарный план выполнения НИР


10.3 Составление сметы затрат на разработку прибора

1. Материальные затраты
Специальное оборудование и ПО для выполнения данной работы не приобреталось, поэтому в материальные затраты включаем только расходы на электроэнергию:
Зэл = Р * Цэл * Ти
,где Р – потребляемая мощность оборудования, кВт/ч;
Цэл – стоимость 1 кВт/ч, руб.;
Ти – время использования оборудования при проведении работ, ч.
Для выполнения работы использовался персональный компьютер потребляемой мощностью 360 Вт. Время работы ПЭВМ в данном дипломном проекте составляет 81 день по 8 часов в день.
Стоимость 1 кВт для РГРТУ – 3,1 руб./кВт (на 2013 г.). Получаем, что:
Зэл = 0,36*3,1*80*8 = 714 руб.
Следовательно, получаем, что материальные затраты составляют 714 рублей.

2. Затраты на оплату труда начисляются исходя из ставки разработчика и времени затрачиваемого на выполнение работы.
Руководитель имеет ставку 20000 рублей, исполнитель (разработчик) имеет ставку 8000 рублей.

Таким образом, исходя из затрат времени на разработку (руководитель – 19,5 дней, инженер-конструктор – 85 дней), заработная плата равна:
ЗПрук = (20000 / 22)  19,5= 17727 руб.,
ЗПисп = (8000 / 22)  85 = 30909 руб.

Дополнительная заработная плата составляет:
ЗПдоп=(ЗПисп+ЗПрук)*0,15 = 48636 * 0,15 = 7295 руб.
Фонд оплаты труда составит:
Фзп = ЗПисп+ЗПрук+ ЗПдоп
Фзп = 7295+ 17727 + 30909 = 55931 руб.

3. Амортизационные отчисления
В соответствии с НК РФ амортизации подлежит оборудование стоимостью более 40000 рублей (на 2013 год).
Амортизационные отчисления учитываются в сметной стоимости научно-исследовательской и опытно-конструкторской работы и рассчитывается по следующей формуле:
Анир = Фп  Tи  На / Фэф
где Фп –балансовая стоимость оборудования;
Ти – время использования оборудования при проведении работ;
На– норма амортизации;
На = 1 / Тпи, где Тпи – срок службы оборудования, лет;
Фэф – годовой эффективный фонд времени работы оборудования, для односменной работы он составляет Фэф = 256 дней.
В данном дипломном проекте амортизации подлежит только ПЭВМ, стоимостью 41000 руб.
Время работы на ПЭВМ составило 81 день.
Срок службы компьютера – 2-3 года (на 2013 г.), тогда норма амортизации:
На = 1 / 3 = 0,33
Амортизационные отчисления для компьютера стоимостью в 41000 рублей составят:
Анир = 41000  81  0,33 / 256 = 4280 руб.
Общие прямые затраты составят следующую сумму:
Зпрям = 3м + Фзп + Анир= 714 + 55931 + 4280 =60925 руб.


4. Прочие расходы:
- страховые взносы берутся в размере 30,2 % (в 2013 году) от величины фонда оплаты труда. В нашем примере они составят:
Страх. взносы = 55931 0,302 = 16891 руб.
- величина остальных прочих расходов берется от суммы прямых общих затрат в установленном размере. Для разработки устройства они составят (20%):
величина остальных прочих расходов = 60925  0,2 =12185 руб.
Прочие расходы составят:
Зпр = страховые взносы + величина остальных прочих расходов = 16891 + 12185 = 29076 руб.
Общие затраты на разработку составят:
3 = 3прям + 3пр = 60925 + 29076 = 90001 руб.
Необходимые расходы сведены в табл. 2.
Таблица 2 – Необходимые расходы
Наименование калькуляционных статей расходов Сумма, руб. Удельный вес, %
Материальные затраты, Зм 714 0,8
Затраты на заработную плату, Фзп 55931 62,1
Амортизация оборудования, Анир 4280 4,8
Прочие расходы, Зн 29076 32,3
Общие затраты, З 90001 100











10.4 Расчет цены для НИР

Устанавливая цену на программу, нужно исходить из необходимости компенсации затрат на ее производство, уплаты государству налогов и получение прибыли для дальнейшего развития.
Состав расчётной цены на научно-исследовательскую разработку определяется формулой:
Ц = З + Пр + НДС,
где З – затраты на разработку;
Пр – прибыль от реализации.
Определим расчётную цену на продукцию при предполагаемом размере прибыли в 10%:
Пр = 0,1 * З = 0,1 * 90001= 9000,1 руб.;
НДС = 0,18*(90001+9000,1) = 17820,2 руб.;
Ц = Сп + Пр + НДС=90001+9000,1+ 17820,2 = 116821,3 руб.

10.5 Расчет и выводы по эффективности предложений

В данной главе дипломного проекта представлено экономическое обоснование НИР, которая посвящена разработке многоканальной ИИС с оптимальными характеристиками.
Важнейшими экономическими показателями, характеризующими экономическую эффективность дипломного проекта в рыночных условиях, становятся :
- цена информационно-измерительной системы для стендовых испытаний новой техники;
- ожидаемая прибыль от реализации результатов разработки;
- чистая приведенная стоимость (чистый приведенный доход) инвестиционного проекта и другие показатели его эффективности.
Учитывая, что основная масса продукции, в том числе и научно-техническая, в настоящее время реализуется по свободным рыночным ценам, самостоятельно устанавливаемым производителями по согласования с потребителями, необходимо дать оценку ожидаемого уровня цены на результаты исследования (программного продукта, технологии и т.д.). При этом необходимо проанализировать:
- возможную сферу использования (потенциальных покупателей);
- возможные объемы реализации (число реализуемых копий и т.д.);
- имеющиеся на внутреннем и внешнем рынках аналоги и сложившийся уровень цен на них.
Проведение испытаний позволяет оценивать способность конструкции противостоять действующим в процессе эксплуатации аппарата повторяющимся нагрузкам. При проведении прочностных испытаний получают большой объем измерительной информации, требующий значительных затрат времени на обработку как в ходе эксперимента, так и после его окончания.
При серийном производстве изделия, когда почти все операции автоматизированы, затраты на оплату труда рабочих и эксплуатацию оборудования минимизируются. Поэтому себестоимость серийного промышленного образца оказывается вполне приемлемой для устройств подобного класса.





11 Безопасность и экологичность проекта
Целью данного дипломного проекта является разработка подсистемы автоматизации взаимодействия между компонентами систем сопровождения программных продуктов. Данная подсистема является программным продуктом, и ее эксплуатация возможна только на персональной ЭВМ (далее ПЭВМ), поэтому выявлены потенциальные опасности для таких элементов, как ПЭВМ и рабочее место пользователя ПЭВМ, а также помещение, в котором они находятся. Работа оператора ПЭВМ должна быть безопасной. Безопасная работа на ПЭВМ обеспечивается соблюдением ГОСТов и Санитарных правил и норм (СанПиН).
11.1 Организация рабочего места пользователя ПЭВМ
Рассмотрим помещение, в котором проводилась разработка проекта.
Размеры помещения – 46м (площадь составляет 24 м2). В помещение 1 окно размером 1,52м, 1 дверь размером 12,4 м, система отопления.
Помещение рассчитано на 3 рабочих места с ПЭВМ с процессором Intel Core Duo и монитором DELL E1911.
Питание электрооборудования осуществляется от трёхфазной сети переменного тока частотой 50 Гц напряжением 380/220 В. Для освещения применяются газоразрядные люминесцентные лампы, у которых высокая световая отдача, продолжительный срок службы и близкий к естественному спектральный состав излучаемого света.
Каждое рабочее место оснащено следующими предметами: рабочий стол, стул на вращающемся основании; персональный компьютер (системный блок, дисплей, клавиатура, манипулятор типа «мышь»).

11.1.1 Анализ опасных и вредных факторов, сопровождающих работу пользователя ПЭВМ
Для обеспечение безопасности деятельности работников необходимо провести тщательную оценку и анализ опасных и вредных производственных факторов. Операторы ПЭВМ, программисты-операторы, работающие с компьютерным оборудованием, в течение рабочего дня должны воспринимать большие объемы информации.
Работа с ПЭВМ сопровождается постоянным и значительным напряжением функций зрительного анализатора. Одной из основных особенностей является иной принцип чтения информации, чем при обычном чтении. При обычном чтении текст на бумаге, расположенный горизонтально на столе, считывается работником с наклоненной головой при падении светового потока на текст. При работе на ПЭВМ оператор считывает текст, почти не наклоняя голову, глаза смотрят прямо или почти прямо вперед, текст (источник — люминесцирующее вещество экрана) формируется по другую сторону экрана, поэтому пользователь не считывает отраженный текст, а смотрит непосредственно на источник света, что вынуждает глаза и орган зрения в целом работать в несвойственном ему стрессовом режиме длительное время [12].
В настоящее время общепринятой является классификация опасных и вредных факторов, которые согласно ГОСТ 12.0.003-74 «Опасные и вредные производственные факторы. Классификация» по характерным видам воздействий, оказываемых на организм человека, подразделяются на физические, химические, биологические и психофизиологические.
Можно выделить следующие физические факторы:
• повышенные уровни переменного электромагнитного и электростатического полей;
• повышенный уровень статического электричества;
• повышенный уровень низкоэнергетического (мягкого) рентгеновского ионизирующего излучения;
• повышенные уровни ультрафиолетового и инфракрасного излучения;
• повышенный или пониженный уровень освещенности рабочей зоны;
• повышенная яркость фрагментов светового изображения или света, падающего в поле зрения пользователя;
• повышенная внешняя освещенность экрана;
• повышенная прямая блескость, вызванная попаданием в поле зрения работающего чрезмерно яркого света различных излучающих объектов;
• повышенная отраженная блескость, обусловленная наличием зеркальных отражений, в том числе от экрана, имеющего большую яркость;
• повышенное значение напряжения в электрической цепи, замыкание которой может произойти через тело человека;
• пожар и т.п.
К химически опасным факторам относятся ряд веществ и соединений, которые могут оказывать разнообразные негативные воздействия на организм человека: токсические, раздражающие, сенсибилизирующие, канцерогенные, мутагенные, а также влияющие на детородную функцию. Основные химически опасные факторы – это возникновение в результате ионизации воздуха при работе компьютера активных частиц и увеличение концентрации вредных веществ в воздухе (таких как формальдегид, фенол, аммиак, двуокись углерода, озон, хлористый винил). При нагревании электронных устройств в воздухе могут находиться повышенные содержания формальдегида, фенола, аммиака, двуокиси углерода, озона, хлористого винила и других токсичных соединений.
К биологически вредным факторам, которые могут привести к заболеванию или ухудшению состояния здоровья пользователя, относится повышенное содержание в воздухе рабочей зоны патогенных микроорганизмов (бактерий, вирусов и др.) Они могут появиться в помещении с большим количеством работающих при недостаточной вентиляции.
К психофизиологическим вредным факторам можно отнести напряжение зрения и внимания; интеллектуальные, эмоциональные и длительные статические нагрузки; монотонность труда; большой объем информации, обрабатываемый в единицу времени; нерациональная организация рабочего места.
Часть перечисленных факторов по воздействию имеет разовый характер (электрический ток, пожарная опасность). Большинство же факторов постоянно воздействуют на всех без исключения пользователей. Многие из этих факторов кажутся несущественными, но при систематическом воздействии могут приводить к существенному снижению работоспособности и ухудшению здоровья пользователя.
В природно-техногенной среде редко встречается изолированное действие вредных факторов, обычно человек подвергается совокупному их воздействию.
При этом различают сочетанное и комплексное воздействия.
Сочетанное действие – действие неблагоприятных факторов разной природы (физических, химических, биологических). Под комплексным воздействием понимают действие неблагоприятных факторов одной физической природы и близкие по характеру воздействие на организм человека.
Нормирование условий труда пользователя ПЭВМ осуществляется для ослабления или прекращения действия опасных и вредных факторов [12].

11.1.2 Микроклимат рабочей зоны сотрудника
Микроклимат оказывает существенное влияние на функциональную деятельность человека, его здоровье и является одним из важнейших факторов, определяющих состояние санитарно – гигиенических условий труда. Метеорологические условия определяются температурой, влажностью и скоростью движения воздуха, а также интенсивностью теплового излучения от нагретых поверхностей. Совокупность этих параметров, характерных для конкретного помещения, называется микроклиматом.
Работа с ПЭВМ по общим энергозатратам относится к лёгким физическим работам с энергозатратами до 120 ккал/час (категория 1а).
Оптимальные параметры микроклимата на рабочих местах с ПЭВМ регламентируются СанПиН 2.2.4.548-96 «Гигиенические требования к микроклимату производственных помещений: Санитарные правила и нормы». Значения оптимальных параметров микроклимата приведены в таблице 3.
Таблица 3 - Значения оптимальных параметров микроклимата
Период года Категория работ Температура воздуха, °С, не более Относительная влажность воздуха, % Скорость движения воздуха, м/с
Холодный Легкая-1а 22-24 40-60 0,1
Теплый Легкая-1а 23-25 40-60 0,1

Рабочее помещение оборудовано согласно требованиям СНиП 41-01-2003 «Отопление, вентиляция и кондиционирование» системой внутреннего теплоснабжения от централизованного источника тепла и системой общеобменной вытяжной вентиляции. Имеется открывающееся окно для обеспечения естественной вентиляции помещения.

11.1.3 Уровень шума на рабочем месте
Шум - это совокупность звуков различной частоты и интенсивности возникающие в результате колебательного движения частиц в упругих средах . Различают 4 вида шума:
• ударный - возникает при штамповке, чеканке, ковке
• механический - возникает при трении или биении узлов и деталей машин и механизмов.
• аэродинамический - возникает в аппаратах при большой скорости для воздуха или резком изменении его направления движения.
• магнитный шум - возникает в трансформаторах и электрических двигателях.
Шум имеет определенную частоту, или спектр, выражаемый в герцах, и интенсивность – уровень звукового давления, измеряемый в децибелах. Для человека область слышимых звуков определяется в интервале от 16 до 20 000 Гц. Наиболее чувствителен слуховой анализатор к восприятию звуков частотой 1000—3000 Гц (речевая зона). Измерение, анализ и регистрация спектра шума производятся специаль¬ными приборами — шумомерами и вспомогательными приборами (са¬мописцы уровней шума, магнитофон, осциллограф, анализаторы стати¬стического распределения,
дозимет¬ры и др.).
Согласно требованиям СанПиН 2.2.2/2.4.1340-03 «Гигиенические требования к ПЭВМ», в производственных помещениях при выполнении основных или вспомогательных работ с использованием ПЭВМ уровни шума на рабочих местах не должны превышать предельно допустимых значений, установленных для данных видов работ в соответствии с действующими санитарно-эпидемиологическими нормативами.
Шумящее оборудование (печатающие устройства, серверы и т.п.), уровни шума которого превышают нормативные, должно размещаться вне помещений с ПЭВМ.
Источниками шума являются сами ПЭВМ, их периферийные устройства, воздушные вентиляционные устройства.
При работе с вычислительной техникой допустимые уровни звукового давления должны соответствовать требованиям СН 2.2.4/2.1.8.562-96 «Шум на рабочих местах, в помещениях жилых, общественных зданий и на территории жилой застройки».
Шум усиливает действия других вредных факторов, повышает общую заболеваемость, снижает работоспособность, безопасность труда. В условиях интенсивного шума на выполнение работы требуется больше физических и нервно-психических усилий. Поэтому рекомендуемые уровни шума на рабочих местах устанавливаются с учётом категорий тяжести труда и его напряжённости.
Согласно СН 2.2.4/2.1.8.562-96, уровень звука в помещении при неработающей вычислительной технике не должен превышать 40дБА. При выполнении основной работы на ПЭВМ, уровень шума на рабочем месте не должен превышать 50дБА (согласно СН 2.2.4/2.1.8.562-96).
Допустимые значения уровней звукового давления в октавных полосах частот, эквивалентных и максимальных уровней звука проникающего шума в помещения жилых и общественных зданий и шума на территории жилой застройки представлены в таблице 4.
Таблица 4 – Предельно допустимые уровни звукового давления
Вид трудовой деятельности,
рабочее место Уровни звукового давления, дБ в октавных полосах со среднегеометрическими частотами, Гц Эквивалентные уровни звука, дБА
31,5 63 125 250 500 1000 2000
Творческая деятельность, научная деятельность, конструирование и проектирование, программирование, преподавание и обучение. Рабочие места программистов вычислительных машин.
86
71
61
54
49
45
42
50
Уровень шума от исправного компьютера имеет значение 35 дБА. В помещении находятся 3 ПЭВМ. Суммарный уровень расчитывается следующим образом:
,
где p1, p2, p3 – уровни звукового давления от отдельных источников (дин/см2), p0=2*104 дин/см2 – звуковое давление, принятое за нулевой уровень. Уровень давления:
pi = 10(Ni/20)*p0
p1 = p2=p3=112*104 дин/см2
N = 42,5 дБА, что укладывается в допустимые значения.

11.1.4 Оптимизация зрительных условий труда на рабочем месте
Основная нагрузка сотрудника, работающего с ПЭВМ, приходится на зрение, поскольку при работе с монитором глаза устают значительно быстрее, чем при любых других видах работы. Поэтому большое значение имеет воздействие работы за компьютером на зрение оператора, а также требования к мониторам и характеристики изображения. Нагрузка на органы зрения у человека, работа которого связана с компьютерами, возникает за счет работы с монитором, на котором отображается мелкий текст программ, документов, а также за счет мерцания монитора. Мерцание монитора возникает за счет того, что у простых дисплеев частота горизонтальной развертки обычно не превышает 50 - 60 Гц.
Отражательная способность экрана не должна превышать 1%. Для снижения количества бликов и облегчения концентрации внимания корпус монитора должен иметь матовую одноцветную поверхность (светло-серый, светло-бежевый тона) с коэффициентом отражения 0,4-0,6, без блестящих деталей и с минимальным числом органов управления и надписей на лицевой стороне. Антибликовое покрытие уменьшает отражение внешнего света от стеклянной поверхности экрана. Различают несколько типов покрытия: например, специальная, рассеивающая световой поток, гравировка экрана; более эффективное кремниевое покрытие, часто применяемое в стеклянных фильтрах; особые виды устанавливаемых на кинескоп антибликовых панелей. Следует, однако, отметить, что первые два способа уменьшения отражающей способности экрана несколько снижают контрастность и ухудшают цветопередачу, поэтому мониторы с блестящими экранами обычно передают цвета ярче.
Работа на ПЭВМ может осуществляться при наличии естественного и искусственного освещения. Величина коэффициента естественной освещенности должна соответствовать нормативным уровням по СНиП 23-05-95 «Естественное и искусственное освещение» [13].
Задача освещения помещения и находящихся в нём рабочих мест может быть решена путём устройства общего или комбинированного освещения, т. е. совокупности общего и местного освещения.
Общим называется освещение, при котором светильники освещают всю площадь помещения, где расположены оборудование и рабочие места.
Местным называется освещение, предназначенное для освещения только определённого рабочего места и не создающее необходимой освещённости поверхностей в прилегающем к нему пространстве. Устройство одного только местного освещения запрещено норма¬ми, т. к. при таком освещении затрудняется работа органов зрения в результате возникновения значительных уровней контраста.
Искусственное освещение создается электрическими источниками света и по характеру выполняемых задач подразделяется на рабочее, аварийное, эвакуационное, охранное и дежурное.
В поле зрения оператора должны отсутствовать прямая и отраженная блескость. Для снижения блескости необходимо оборудовать светопроемы солнцезащитными устройствами (шторы, жалюзи и т.д.); использовать для общего освещения светильники с рассеивателями и экранирующими решетками, яркость которых в зоне углов излучения более 50° от вертикали не должна превышать 200 кд/м2; размещать рабочий стол между рядами светильников общего освещения и использовать дисплей, имеющий антибликовое покрытие экрана или антибликовый фильтр.
Яркость светильников общего освещения в зоне углов излучения от 50 до 90 градусов с вертикалью в продольной и поперечной плоскостях должна составлять не более 200 кд/м, защитный угол светильников - не менее 40 град.
Для освещения помещений с ПЭВМ следует применять светильники с зеркальными параболическими решетками, укомплектованными электронными пускорегулирующими аппаратами (ЭПРА).
Величина коэффициента пульсации освещенности не должна превышать 5%.
Самыми распространенными газоразрядными лампами являются люминесцентные лампы, имеющие колбу в виде цилиндрической трубки. Внутренняя поверхность колбы, покрытая тонким слоем люминофора, обеспечивает преобразование ультрафиолетового излучения, возникающего при электрическом разряде в парах ртути, в видимый свет.
Трубчатые люминесцентные лампы низкого давления существенно отличаются от ламп накаливания по всем своим характеристикам. Световая отдача люминесцентных ламп достигает 75 лм/Вт. Она различна для ламп разной мощности (достигает максимального значения для ламп 40 Вт) и разного спектрального типа (максимальное значение для ламп типа ЛБ и ми-нимальное – для ламп ЛДЦ). Срок службы распространённых типов ламп 10 000 часов, но к концу этого срока световой поток снижаете до 60 % номинального, что учитывается повышенным значением коэффициента запаса.

11.1.5 Расчет освещенности помещения
Для освещения производственных помещений, как правило, применяют газоразрядные лампы, самыми распространенными из которых являются люминесцентные, имеющие форму цилиндрической трубки.
Люминесцентные лампы обеспечивают меньшее утомление органов зрения и организма в целом, способствуют повышению работоспособности человека и производительности труда. Они незаменимы там, где требуется тонкое цветоразличение или выполняются тонкие зрительные работы, отсутствует или является недостаточно сильным естественное освещение (СНиП 23.05–95 «Естественное и искусственное освещение») [13]. Поэтому в качестве источников света выберем именно люминесцентные лампы.
Характер выполняемой работы следует отнести к работе с очень высокой точностью с наименьшим размером объекта различения от 0.15 до 0.3 мм. Это соответствует разряду IIв зрительных работ. При использовании общей системы освещения и люминесцентных ламп в качестве источников света нормативное значение минимально допустимого уровня освещенности будет равно Енорм = 400 лк для разряда зрительных работ IIв.
Используем светильники ОДР-2х40, подразумевающий использование двух люминесцентных ламп мощностью 40 Вт.
Исходными данными для определения количества светильников и их расположения являются размеры освещаемого помещения:
- длина помещения – А=6 м;
- ширина помещения – В=4 м;
- высота помещения – С=3 м;
Высота светильников над рабочей поверхностью определяется по формуле
,
где - высота помещения;
- расстояние от перекрытия до светильников;
- высота рабочей поверхности над полом.
hс=0.2м; hр=0.8м
hср = 3 – 0,2 – 0,8 = 2 (м).
Для создания равномерного распределения освещенности необходимо, чтобы отношение
,
было равно 1,5 (для люминесцентных ламп). Расстояние между центрами светильников lс=λ*hс=1,5*2=3(м).
Светильники располагаются в 2 ряда параллельно стене с окном. Каждый ряд будет состоять из 4 светильников, расположенных близко друг к другу.
Схема освещения помещения представлена на рисунке 30.
Для расчета общего равномерного освещения при горизонтальной рабочей поверхности основным является метод светового потока (коэффициента использования), учитывающий световой поток, отраженный от потолка и стен.


Рисунок 30 – Схема освещения помещения

Световой поток лампы Фл (лм) рассчитывается по формуле:
,
где Sп=A*B=24(м²)- площадь освещаемого помещения;
- коэффициент запаса при условии чистки светильников не реже 4-х раз в год;
- коэффициент неравномерности освещения, равный отношению ЕСР/ЕМИН;
tисп = 0,52 - коэффициент использования излучаемого светильником светового потока на расчетной плоскости, который находится, исходя из индекса помещения i=A*B/((A+B)* hр)=3 и коэффициентов отражения, принимаемых для потолка (белый) и стен (светлые):

→ Nсв = 8 - число светильников;
- число ламп в светильнике ОДР - 2 40;
Енорм=400 - нормированная минимальная освещенность, лк.
Подставляем числа в формулу и получаем величину:
Фл = 400*24*1,5*1,1/(8*2*0,52) = 1903,85(лм)
Выбираем люминесцентную лампу мощностью 40 Вт с величиной светового потока, наиболее близкой к Фл. Это лампа ЛДЦ40, световой поток которой Фл.факт.=2100(лм). Если определить фактический уровень освещенности, создаваемый этими лампами, по формуле
Ефакт = Фл.факт.*Nсв*Nл.св* tисп /( Sп *z*Kз) = 441,21(лк),
то он окажется больше Енорм всего на 10% (допустимое отклонение в большую сторону составляет не более 20%).
Коэффициент потерь в пускорегулирующей аппаратуре для люминесцентных ламп . Pл – электрическая мощность одной лампы. Электрическая мощность системы:
Pэл = Pл.*Кп*Nл.св*Nсв = 40*1,25*2*8 = 960 Вт.

11.1.6 Уровень электромагнитных полей на рабочем месте, оборудованном ПЭВМ
На рабочих местах ПЭВМ, как правило, выделяют два вида электромагнитных полей:
• поля, создаваемые ПЭВМ
• поля, порождаемые другими источниками, окружающими рабочее место
При неправильной организации электропитания рабочего места, источниками электромагнитных полей могут быть не только импульсный источник питания системного блока ПЭВМ, дисплей ПЭВМ и сетевые кабели, но и различные периферийные устройства (модем, принтер, сканер, клавиатура, мышь и т.д.).
На данном рабочем месте источниками полей в диапазоне
• от 50 Гц до 2 кГц, являются блоки сетевого питания и блок кадровой развертки дисплея;
• от 15 до 80 кГц – блоки строчной развертки и импульсные блоки сетевого питания ПЭМВ.
Достижение цели безопасного общения с ПЭВМ требует определения предельно допустимых уровней (ПДУ) электромагнитных излучений, обеспечивающих безопасность на том расстоянии от монитора, на котором обычно находится пользователь ПЭВМ.
Основным документом, который регламентирует предельно допустимые уровни ЭМП, является СанПиН 2.2.2/2.4.1340-03 «Гигиенические требования к персональным электронно-вычислительным машинам и организации работы». Нормы по электрическим и магнитным полям приведены в таблице 5.
Таблица 5 - Нормы по электрическим и магнитным полям
Наименование параметров ВДУ ЭМП
Напряженность
электрического
поля в диапазоне частот 5 Гц-2 кГц 25 В/м
в диапазоне частот 2 кГц-400 кГц 2,5 В/м
Плотность маг-
нитного потока в диапазоне частот 5 Гц-2 кГц 250 нТл
в диапазоне частот 2 кГц-400 кГц 25 нТл
Электростатический потенциал экрана видеомонитора 500 В

11.1.7 Психофизиологические факторы
При работе с персональным компьютером очень важную роль играет соблюдение правильного режима труда и отдыха. Психофизиологические факторы, воздействующие на пользователя, приводят к его физическим (статическим, динамическим) и нервно-психическим перегрузкам (умственное перенапряжение, перенапряжение анализаторов, монотонность труда, эмоциональные и информационные перегрузки). К таким факторам относятся: напряжение зрения и внимания; интеллектуальные, эмоциональные и длительные статические нагрузки; монотонность труда; большой объем информации, обрабатываемый в единицу времени; нерациональная организация рабочего места.
Типичными ощущениями, которые испытывают к концу рабочего дня операторы ПЭВМ, являются: переутомление глаз, головная боль, тянущие боли в мышцах шеи, рук и спины, снижение концентрации внимания.
Изображение на дисплее принципиально отличается от привычных глазу объектов наблюдения — оно светится, мерцает, состоит из дискретных точек, а цветное компьютерное изображение не соответствует естественным цветам. Но не только особенности изображения на экране вызывают зрительное утомление. Большую нагрузку орган зрения испытывает при вводе информации, так как пользователь вынужден часто переводить взгляд с экрана на текст и клавиатуру, находящиеся на разном расстоянии и по-разному освещенные. Зрительное утомление проявляется жалобами на затуманивание зрения, трудности при переносе взгляда с ближних предметов на дальние и с дальних на ближние, кажущиеся изменения окраски предметов, их двоение, чувство жжения, «песка» в глазах, покраснение век, боли при движении глаз.
Длительная и интенсивная работа на компьютере может стать источником тяжелых профессиональных заболеваний, таких, как травма повторяющихся нагрузок (ТПН), представляющая собой постепенно накапливающиеся недомогания, переходящие в заболевания нервов, мышц и сухожилий руки.
Как синдромы заболеваний, связанных с ТПН, проявляются жалобы на жгучую боль и покалывание в запястье, ладони, а также пальцах, кроме мизинца. Наблюдается болезненность и онемение, ослабление мышц, обеспечивающих движение большого пальца.
Эти заболевания обычно наступают в результате непрерывной работы на неправильно организованном рабочем месте.
Уровень нагрузки за 8-часовую рабочую смену равен 4 часам работы в режиме диалога с ПЭМВ. Суммарное время регламентированных перерывов – 50 мин, в соответствии с СанПиН 2.2.2/2.4.1340-03 «Гигиенические требования к персональным электронно-вычислительным машинам и организации работы».
Эффективность перерывов повышается при сочетании с производственной гимнастикой или организации специального помещения для отдыха персонала. Чтобы исключить возникновение заболеваний необходимо иметь возможность свободной перемены поз. Необходимо соблюдать режим труда и отдыха с перерывами, заполняемыми “отвлекающими” мышечными нагрузками на те звенья опорно-двигательного аппарата, которые не включены в поддержание основной рабочей позы.

11.1.8 Организация рабочего места с ПЭВМ
При организации рабочих мест с ПЭВМ расстояние между рабочими столами с видеомониторами (в направлении тыла поверхности одного видеомонитора и экрана другого видеомонитора), должно быть не менее 2,0 м, а расстояние между боковыми поверхностями видеомониторов - не менее 1,2 м. Экран видеомонитора должен находиться от глаз пользователя на расстоянии 600 - 700 мм, но не ближе 500 мм с учетом размеров алфавитно-цифровых знаков и символов. Линия взора должна быть перпендикулярна центру экрана, а оптимальное её отклонение в вертикальной плоскости должно находиться в пределах ± 5, а допустимое -±10 градусов. Оптимальный обзор горизонтальной плоскости от центральной оси экрана должен быть в пределах ± 15, а допустимый - ± 30 градусов.
Конструкция монитора, его дизайн и совокупность эргономических параметров должны обеспечивать надёжное и комфортное считывание отображаемой информации в условиях эксплуатации.
Для обеспечения надёжного считывания информации при соответствующей степени комфортности её восприятия должны быть определены оптимальные и допустимые диапазоны визуальных эргономических параметров (ВЭП). Конструкция монитора должна предусматривать наличие ручек регулировки яркости и контраста, обеспечивающих возможность регулировки этих параметров от минимальных до максимальных значений.
Конструкция рабочего стола должна обеспечивать оптимальное размещение на рабочей поверхности используемого оборудования с учетом его количества и конструктивных особенностей, характера выполняемой работы. При этом допускается использование рабочих столов различных конструкций, отвечающих современным требованиям эргономики. Поверхность рабочего стола должна иметь коэффициент отражения 0,5 - 0,7.
Клавиатуру следует располагать на поверхности стола на расстоянии 100-300 мм от края, обращенного к пользователю, или на специальной подставке, регулируемой по высоте рабочей поверхности, отдельной от основной столешницы.
Рассматриваемое помещение удовлетворяет требованиям СанПин 2.2.2/2.4.1340-03 по которому на одно рабочее место ПЭВМ должно приходится не менее 4,5 м2.
Рабочее место оснащено следующим оборудованием: рабочий стол, стул на вращающемся основании, позволяющий регулировать положения согласно физическим особенностям работника; персональный компьютер в стандартной комплекции (системный блок, дисплей, клавиатура, манипулятор типа «мышь»). Расположение всех составляющих компьютера удовлетворяет требованиям и нормам.

11.1.9 Требования электробезопасности к помещениям с ПЭВМ
Одной из самых серьёзных является опасность поражения электрическим током. От сети переменного тока питаются все блоки ПЭВМ, а также установленные в помещении кондиционеры, электроосветительное и другое оборудование. В процессе эксплуатации или проведения профилактических работ человек может коснуться частей, находящихся под напряжением.
ГОСТом 12.1.038-82 «Предельно допустимые уровни напряжения прикосновения и токов» установлены предельно допустимые уровни напряжения прикосновения и тока, протекающего через тело человека. Меры защиты приведены в ГОСТ 12.1.019-79 «Электробезопасность. Общие требования и номенклатура видов защиты». При нормальном режиме работы электроустановки предельно допустимые значения соответствуют продолжительности воздействия тока на человека не более 10 минут в сутки и установлены исходя из реакции ощущения:
• UПД= 2В, Iпд=0,3 мА (для переменного тока частотой 50 Гц);
• UПД =8 В, Iпд= 1,0 мА (для постоянного тока).
Для обеспечения приемлемого уровня электробезопасности необходимо, чтобы в помещении с ПЭВМ отсутствовали условия, создающие, согласно Правилам устройства электроустановок (ПУЭ-07), повышенную или особую опасность:
 сырость (относительная влажность воздуха превышает 75%);
 повышенная температура воздуха, постоянно или периодически превышающая +35С;
 токопроводящий (без изолирующего покрытия) пол;
 токопроводящая пыль;
 химически активная или органическая среда (агрессивные пары, отложения или плесень, разрушающие изоляцию и токопроводящие части);
 возможность одновременного прикосновения человека к имеющим соединение с землёй металлоконструкциям зданий, механизмов и т. д. и металлическим элементам (корпусам, клеммам заземления или зануления, разъёмам) электроустройств, которые могут оказаться под напряжением при повреждении рабочей изоляции.
Для исключения последнего из перечисленных признаков опасности радиаторы и трубопроводы отопительной и водопроводной систем следует оборудовать диэлектрическими (деревянными и т.п.) ограждениями.
Токопроводящее основание пола в помещении должно быть покрыто слоем изолирующего материала. Изолирующее покрытие пола должно обладать антистатическими свойствами. Это позволяет уменьшить вредное влияние на пользователя статического электричества. Токопроводящие стены следует отгораживать от пользователя панелями из изолирующего материала. Если в помещении имеются неизолированные от пользователя токопроводящие элементы, то рабочее место должно быть удалено от них на расстояние, достаточное для исключения случайного контакта пользователя с этими элементами в процессе работы.
При проведении незапланированного и планового ремонта вычислительной техники выполняются следующие действия:
• отключение компьютера от сети;
• проверка отсутствия напряжения.
Питание электрооборудования осуществляется от трёхфазной сетипеременного тока частотой 50 Гц напряжением 380/220 В с глухозаземленной нейтралью. Все токоведущие части оснащены исправной изоляцией. Пол помещения покрыт материалом с низкой электропроводностью – кафелем.

11.2 Пожарная безопасность
Возникновение пожара как на производстве, так и в быту может быть вследствие причин неэлектрического и электрического ха-рактера.
К причинам неэлектрического характера относятся следующие:
• неправильное устройство, неисправность и оставление без присмотра отопительных приборов, нарушение режима топки печей, отсутствие искрогасителей и т.п.;
• неисправность производственного оборудования и нарушение технологического процесса (нарушение герметизации оборудования, выделяющего пыль и газы);
• халатное и неосторожное обращение с огнём (курение, определение утечки газа с помощью открытого огня, разогрев деталей открытым огнём);
• неправильное устройство и неисправность вентиляционной системы;
• самовоспламенение или самовозгорание веществ.
К причинам электрического характера относятся короткие замыкания, перегрузки, большие переходные сопротивления, искрение и электрические дуги, статическое электричество; применение электрооборудования, не соответствующего категориям помещений по пожарной безопасности; отсутствие в радиоэлектронных устройствах (РЭУ) устройств защиты от перегрузок по току и напряжению, а также тепловой защиты элементов.
Произведём оценку пожарной безопасности рассматриваемого помещения.
Пожарная нагрузка обусловлена наличием в помещении таких горючих материалов, как древесина и ДСП. При этом особую пожарную опасность представляют электропроводка и электрооборудование, из-за наличия горючего изолирующего материала, а также вероятных источников зажигания в виде электрических искр и дуг.
Пожарная нагрузка определяется по формуле (9.1)
, (9.1)
где Gi – количество i-го материала пожарной нагрузки в кг;
QНi - низшая теплота сгорания i-го материала, МДж*кг-1.
Низшая теплота сгорания некоторых материалов приведена в таблице 6.
Таблица 6 – Низшая теплота сгорания некоторых материалов
Материал Низшая теплота сгорания QНi, МДж*кг-1
Мебель (ДСП) 13,80
Бумага, книги, журналы 13,40
Кожзаменитель 17,76
Поливинилхлоридный линолеум, изоляция проводов 14,31
Полиэтилен 47,14
Пропилен 45,67
Резина 39,1
Оргстекло 27,67
Бензин, ацетон 41,87
Пластмасса корпусов приборов, ПЭВМ, принтеров, сканеров 39,00

Рабочее помещение, для которого будет произведен расчет, можно сказать, что это комната площадью 24 м2 , в которой имеется 3 деревянных стола (по 20 кг) с ПЭВМ (15 кг), дверь (15 кг) из дерева, оконная рама (14 кг) из поливинилхлорида, 2 деревянных шкафа (по 40 кг) с книгами (по 60 кг), принтер и сканер (по 5 кг). Таким образом, получаем
Q = 4922,34 МДж.
Рабочее место относится к категории В (пожароопасным). В помещении находятся горючие и трудногорючие жидкости, твердые горючие и трудногорючие вещества и материалы (в том числе пыли и волокна), вещества и материалы, способные при взаимодействии с водой, кислородом воздуха или друг с другом только гореть. Категория В подразделяется на несколько категорий.
Разделение помещений на категории В1-В4 осуществляется путём сравнения максимального значения удельной временной пожарной нагрузки в помещении с величиной удельной пожарной нагрузки.

Таблица 7 – Категории помещения в зависимости от удельной пожарной нагрузки
Категория помещения В1 В2 В3 В4
Удельная пожарная нагрузка g, МДж*м-2 Более 2200 1401-2200 181-1400 1-180

Удельная пожарная нагрузка g (МДж*м-2), определяется из соотношения
,
где S – площадь размещения пожарной нагрузки, м2
По формуле, приведенной выше, рассчитаем удельную пожарную нагрузку. В данном случае она равна g= 205,09 МДж*м-2. Это означает, что помещение относится к категории пожароопасности помещения В3.
Пожарная безопасность помещения с ПЭВМ должна удовлетворять требованиям ГОСТ 12.1.004-95.«ССБТ. Пожарная безопасность. Общие требования».
Для противопожарной защиты в помещениях с ПЭВМ используется дымовой пожарный извещатель. Дымовой пожарный извещатель реагирует на аэрозольные продукты горения, располагается под потолком, так как дым поднимается вверх. Контролируемая одним дымовым извещателем площадь в зависимости от типа может составлять до 80 м2, но для повышения эффективности в рассматриваемом помещении установлены два извещателя ИП 212-141.
Для тушения пожара на начальной стадии используются огнетушители. Наибольшее распространение в настоящее время получили углекислотные и порошковые огнетушители. При тушении электрооборудования, находящегося под напряжением, необходимо учитывать, что раструб огнетушителя должен находиться на расстоянии не менее 1 м от установки с напряжением до 1000 В и 2 м до 10000 В. Не следует использовать порошковые огнетушители для защиты ПЭВМ, поскольку она может выйти из строя при попадании порошка.
К первичным средствам пожаротушения в помещениях с ПЭВМ относятся различные углекислотные, аэрозольные, порошковые огнетушители, предназначенные для тушения загораний и пожаров в начальной стадии их развития. В данном помещении используется два углекислотных огнетушителя марки ОУ-1 вместимостью 2 л и массой заряда 1 кг.

11.3 Экологичность проекта
В ходе работы не проводилась утилизация каких-либо аппаратных средств, которые могли бы нанести вред окружающей среде.
Важно заботиться об общем снижении энергопотребления. Для этого должно использоваться современное энергосберегающее оборудование, такое как: энергосберегающие лампы, жидкокристаллические мониторы вместо мониторов на ЭЛТ, т.к. ЖК мониторы потребляют в несколько раз меньше энергии.
Разработанный в рамках данного проекта модуль является программным средством для ПЭВМ, поэтому он не может принести никакого вреда окружающей среде.

Заключение

В настоящей дипломном проекте была разработана многоканальная информационно-измерительная система, предназначенная для стендовых испытаний новой техники и с успехом подходящая для ряда промышленных применений и других прикладных задач. Основной особенностью системы является минимальное число значащих отсчетов, подаваемых на вход канала связи и необходимых для полного успешного восстановления информации о сигналах датчиков. В основу разработки лег принцип устранения незначащих отсчетов путем опроса групп датчиков с индивидуальными частотами.
Для разработки ИИС в начале проекта был проведен аналитический обзор методов и средств снижение суммарного потока отсчетов на входе канала связи (устранение незначащих отсчетов при помощи устройств сокращения, адаптация частоты дискретизации к скорости изменения сигнала, индивидуальные частоты дискретизации). Далее был выполнен информационный расчет системы: расчет относительных периодов опроса датчиков и определение требуемого быстродействия АЦП в групповом тракте системы.
Особое место в работе занимает разработка алгоритма и программы определения допустимого набора частот опроса с учетом исходных данных и результатов информационного расчета. Предложен оригинальный алгоритм определения совместимых относительных периодов опроса. Его реализация выполнена в среде Delphi 7.
Обоснован выбор технических средств для реализации многоканальной информационно-измерительной системы , разработка структурной схемы многоканальной информационно-измерительной системы, разработаны функциональная схема передающей части многоканальной информационно-измерительной системы и принципиальная схема модуля формирования сигналов опроса датчиков. Разработана программа расчета частот опроса и проведена её отладка.
Автор выражает благодарность сотрудникам регионального центра зондовой микроскопии коллективного пользования за консультации при выполнении дипломного проекта.

Список использованных источников

1. Душин В.К. Теоретические основы информационных процессов и систем. – М.: Издательско-торговая корпорация «Дашков и К°», 2003. – 348 с.
2. Варакин Л.Е. Системы связи с шумоподобными сигналами. — М.: Радио и связь, 1985. — 384 с.
3. Васильев В.И., Горшков Л.Ф., Свириденко В.А. Методы и средства организации каналов передачи данных. — М.: Радио и связь, 1982. — 152 с.
4. Гоноровский И.С. Радиотехнические цепи и сигналы: Учебник для вузов. — М.: Радио и связь, 1986. — 512 с.
5. Душин В.К., Кернов Ю.П. Устройства приема и обработки сигналов: Учеб. пособие для вузов. — М.: МГУС, 2000. — 140 с.
6. Душин В.К., Князев И.И. Проектирование информационных систем, их модификация и эксплуатация: Учеб. пособие для вузов. — М.: МГУС, 2001. — 82 с.
7. Информатика: Учебник. — 3-е изд. / Под ред. Н.В. Макаровой. — М.: Финансы и статистика, 2000. — 768 с.
8. Прокис Дж. Цифровая связь / Пер. с англ. — М.: Радио и связь, 2000. — 800 с.
9. Теория электрической связи / Под ред. Д.Д. Кловского: Учебник для вузов. — М.: Радио и связь, 1998. — 432 с.
10. Назаров А.В, Козырев Г.И., Шитов И.В. и др. Современная телеметрия в теории и на практике. Учебный курс. – СПб.: Наука и техника, 2007. – 672 с.
11. Методы математического моделирования измерительно-вычислительных систем: Ю. П. Пытьев — Санкт-Петербург, ФИЗМАТЛИТ, 2004 г. – 400 с.
12. AD8346 – ИМС квадратурного модулятора компании Analog Devices; краткое описание и технические характеристики (на английском). http://www.analog.com/en/rfif-components/modulatorsdemodulators/ad8346/products/product.html
13. AD9852 – ИМС синтезатора частоты DDS типа компании Analog Devices; краткое описание и технические характеристики (на английском). http://www.analog.com/static/imported-files/Data_Sheets/AD9852.pdf
14. ADF4112 – ИМС синтезатора частоты PLL типа компании Analog Devices; краткое описание и технические характеристики (на английском). http://www.analog.com/static/imported-files/data_sheets/ADF4110_4111_4112_4113.pdf
15. AT-108TR – ИМС регулируемого СВЧ аттенюатора компании M/A-COM; краткое описание и технические характеристики (на английском). http://kazus.ru/datasheets/329094/pdf-AT-108TR.html
16. GALI-6+ – ИМС широкополосного 50-омного СВЧ-усилителя; краткое описание и технические характеристики (на английском языке). http://217.34.103.131/MCLStore/ModelInfoDisplay?13629063588700.378980005547249
17. КХО-900 – ИМС полупроводникового кварцевого осциллятора; краткое описание и технические характеристики (на английском языке). http://www.compel.ru/infosheet/GEYER/KXO-900%2010.0%20MHz/
18. LT1016 – ИМС скоростного прецизионного компаратора; краткое описание и технические характеристики (на английском языке). http://www.linear.com/product/LT1016?utm_source=supplyFrame&utm_medium=SEP
19. MGA81563 – ИМС СВЧ-усилителя; краткое описание и технические характеристики. http://www.farnell.com/datasheets/7246.pdf
20. ОРА27 (КР140УД25) – ИМС малошумящего ОУ; краткое описание и технические характеристики. http://chiplist.ru/chips/KR140UD25A_B_V_G/
21. SGA-4586 – ИМС широкополосного малошумящего 50-омного СВЧ-усилителя; краткое описание и технические характеристики. http://www.elcotech.ru/i/trash/user_147_1_27_TechLinks.pdf
22. Долинская М.Г., Соловьев И.А. Маркетинг и конкуренто-способность промышленной продукции. – М.: Стандарт, 1991. – 324 с.
23. Интернет-магазин радиоэлектронных компонентов www.chipdip.ru
24. Интернет-магазин радиоэлектронных компонентов www.platan.ru
25. Организационно-экономическая часть дипломных проектов конструкторского профиля: Учеб. пособие/ Под ред. М.И.Ипатова, — 2-е изд., перераб. и доп. — М.: Изд-во МГТУ, 1990. — 136 с.
26. Организационно-экономическая часть курсовых и дипломных проектов конструкторского, технологического и эксплуатационного профиля: учеб. пособие / Р. Г. Мирзоев, А. В. Самойлов, А. П. Ястребов; ГУАП. СПб., 2005. – 204 с.
27. Пунин Е.И. Маркетинг, менеджмент и ценообразование на предприятиях в условиях рыночной экономики. – М.: Международные отношения, 1993. – 284 с.
28. Руководство Р 2.2.2006-05 «Руководство по гигиенической оценке факторов рабочей среды и трудового процесса. Критерии и классификация условий труда».
29. Фролов А.В. Безопасность жизнедеятельности. Охрана труда: учеб. пособие для вузов / А.В. Фролов, Т.Н. Бакаева; под общ.ред. А.В. Фролова. – Изд. 2-е, доп. и перераб. – Ростов н/Д.: Феникс, 2008. – 750 с.
30. Белов С.В. Безопасность жизнедеятельности и защита окружающей среды (Техносферная безопасность): учебник / С.В Белов. – М.: Издательство Юрайт, 2010. – 671 с. – (Основы наук).



Приложение А










Текст программы

















Министерство образования и науки Российской Федерации
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение
высшего профессионального образования
«Рязанский государственный радиотехнический университет»
(ФГБОУ ВПО «РГРТУ», РГРТУ)
Кафедра автоматизированных систем управления


Утвержден
ДП-02069154-230201-32-13






Разработка информационно-измерительной системы для стендовых испытаний изделий новой техники



Текст программы
ДП-02069154-230201-32-13


Листов 6





Рязань, 2013 г.


unit Unit1;
interface
uses
Windows, Messages, SysUtils, Variants, Classes, Graphics, Controls, Forms,
Dialogs, StdCtrls;
type
TForm1 = class(TForm)
Label1: TLabel;
Label2: TLabel;
Label3: TLabel;
Label4: TLabel;
Label5: TLabel;
Label6: TLabel;
Label7: TLabel;
Label8: TLabel;
Label9: TLabel;
Label10: TLabel;
Edit1: TEdit;
Edit2: TEdit;
Edit3: TEdit;
Edit4: TEdit;
Edit5: TEdit;
Edit6: TEdit;
Edit7: TEdit;
Edit8: TEdit;
Edit9: TEdit;
Label11: TLabel;
Button1: TButton;
Label12: TLabel;
Edit10: TEdit;
Edit11: TEdit;
Edit12: TEdit;
Edit13: TEdit;
Label13: TLabel;
Label14: TLabel;
Label15: TLabel;
Label16: TLabel;
Label17: TLabel;
Label18: TLabel;
Label19: TLabel;
procedure Button1Click(Sender: TObject);
private
{ Private declarations }
function GCFarray(m0, m: Integer; A: array of Integer):
Integer;
function ArrayMax(Aarray: array of Integer): Integer;
public
{ Public declarations }
end;
var
Form1: TForm1;
fd, n, opmin, opmax, op, d1, nn, ng1, dj, al, zk, bt,
dg, dg1, ngk, nnk, ngk1, nnk1: array[1..4] of Integer;
vm, vu, j, i, c, k, j1, dk1, i1, zjk, njk, g: Integer;

implementation

{$R *.dfm}

procedure TForm1.Button1Click(Sender: TObject);
label Y0, Y1, Y2, Y3, Y4, Y5, Y6, Y7, Y8;
//Ввод начальных данных с экранной формы
//после нажатия на кнопку "СЧИТАТЬ"
begin
fd[1]:=StrToInt(Edit1.Text);
n[1]:=StrToInt(Edit2.Text);
fd[2]:=StrToInt(Edit3.Text);
n[2]:=StrToInt(Edit4.Text);
fd[3]:=StrToInt(Edit5.Text);
n[3]:=StrToInt(Edit6.Text);
fd[4]:=StrToInt(Edit7.Text);
n[4]:=StrToInt(Edit8.Text);
vm:=StrToInt(Edit9.Text);
for j:=1 to 4 do dj[j]:=1;
for j:=1 to 4 do d1[j]:=1;
//Вычисление Vu, Оmin
vu:=fd[1]*n[1]+fd[2]*n[2]+fd[3]*n[3]+fd[4]*n[4];
for j:=1 to 4 do opmin[j]:=vu Div fd[j];
//Сортировка элементов массива Оmin от меньшего
//к большему
for j:=1 to 4 do begin
for i:=1 to 3 do begin
if opmin[i] > opmin[i+1] then begin c:=opmin[i];
opmin[i]:=opmin[i+1]; opmin[i+1]:=c;
end;
end;
end;
//Вычисление Оmax
for j:=1 to 4 do opmax[j]:=vm*opmin[j] Div vu;
//Блок 4 алгоритма; метка перехода к нему
op[1]:=opmin[1]-1;
Y1: op[1]:=op[1]+1;
if op[1]>opmax[1] then goto Y0;
k:=2;
//Блок 6 алгоритма; метка перехода к нему
op[k]:=opmin[k]-1;
Y2: op[k]:=op[k]+1;
if op[k]>opmax[k] then begin
k:=k-1;
if k=1 then goto Y1 else goto Y2; end;
//Блок 8 алгоритма
if k>=3 then goto Y3;
//Блок 9 (Нахождение НОД)
d1[1]:=1;
if op[1]>op[k] then i1:=op[1] else i1:=op[k];
for dk1:=i1 Div 2 downto 2 do
begin
if (frac(op[1]/dk1)=0) and (frac(op[k]/dk1)=0) then
d1[1]:=dk1;
end;
if d1[1]=1 then goto Y2;
//Блок 10 (параметры группы 1-й ступени)
j:=1;
Y4: ng1[j]:=n[j]*d1[j] Div op[j];
nn[j]:=n[j]-op[j]*ng1[j]Div d1[j];
j1:=j+1;
if frac(dj[k]/dj[j1])=0 then al[1]:=0 else al[1]:=1;
goto Y5;
//Блок 18 (НОД массива)
Y3: d1[k]:=GCFarray(1, k, op);
if d1[k]=1 then goto Y2;
//Блок 19
Y6: g:=0;
Y7: if k-j-g>1 then begin
dg[k]:=GCFarray(j, k-g, op);
dg1[k]:=GCFarray(j, k-g-1, op);
if dg[k]<dg1[k] then goto Y8;
end;
//Блок 22
g:=g+1;
if k-j-g>1 then goto Y7 else goto Y4;
//Блок 20
Y8: ngk[j]:=n[j]*dg[k] Div op[j];
nnk[j]:=n[j]-op[j]*ngk[j] Div dg[k];
ngk1[j]:=nnk[j]*dg1[k] Div op[j];
nnk1[j]:=nnk[j]-op[j]*ngk1[j] Div dg1[k];
j1:=j+1;
if frac(dj[k]/dj[j1])=0 then al[j]:=0 else al[j]:=1;
if ngk1[j]>=1 then if al[j]=0
then bt[j]:=0 else bt[j]:=1
else bt[j]:=1;
//Блок 11
Y5: zk[j]:=0; //(ng1[j]*trunc(exp(al[j]*ln(op[j] / d1[j])))+
//trunc(exp(al[j]*ln(nn[j]))))*op[k] Div d1[k];
if k-j>=2 then begin
j:=j+1;
goto Y6; end;
//Блок 13
zjk:=0;
for i:=1 to k do
zjk:=zjk+zk[i];
njk:=op[k]-zjk;
if njk<n[k] then goto Y2;
k:=k+1;
if k<=4 then goto Y2;
Y0: Edit10.Text:=IntToStr(op[1]);
Edit11.Text:=IntToStr(op[2]);
Edit12.Text:=IntToStr(op[3]);
Edit13.Text:=IntToStr(op[4]);
end;

// НОД для массива - функция
function TForm1.GCFarray(m0, m: Integer; A: array of Integer): Integer;
var
Llength, Lindex, Lfactor: Integer;
begin
Llength := m;
Result := 1;
for Lfactor := ArrayMax(A) Div 2 downto 2 do
begin
Lindex := m0;
while (Lindex < Llength) and
(frac(A[Lindex] / Lfactor) = 0) do
Inc(Lindex);
if Lindex = Llength then
begin
Result := Lfactor;
Exit; // НОД найден, не продолжаем
end;
end;
end;
//Функция нахождения максимального значения в массиве
function TForm1.ArrayMax(Aarray: array of Integer): Integer;
var
Lpos: Integer;
begin
Result := 0;
for Lpos := 1 to Length(Aarray) do
if Aarray[Lpos] > Result then
Result := Aarray[Lpos];
end;

end.














Приложение Б














Графические материалы
Министерство образования и науки Российской Федерации
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение
высшего профессионального образования
«Рязанский государственный радиотехнический университет»
(ФГБОУ ВПО «РГРТУ», РГРТУ)
Кафедра автоматизированных систем управления

Утвержден
ДП-02069154-230201-32-13



Разработка информационно-измерительной системы для стендовых испытаний изделий новой техники



Графические материалы
ДП-02069154-230201-32-13

Листов 8













Рязань, 2013 г.

© Copyright 2012-2021, Все права защищены.