Введение к работе
Актуальность проблемы. Создание автоматизированных сиотеи управлений технологическими процессами, информационно-измерительных комплексов» оистем автоматизации научных исследований происходит сегодня в направлении иерархических децентрализованных систем управления, основу которых ооотавляют локальные управляющие устрой» отва на базеі Мини-ЗЗМ и микропроцессоров» В таких системах значл-» тельная Часть исходной информации и результатов прздставляетоя в непрерывной формо. Обработка кокет ооуизотвлягыэя аналоговыми или цифровыми методам!!, Важнейшее значение при этом приобретает проблема аналогового обрамления управляющих ЗіЗМ, то есть рационального построения их связи о объектам!! управления*
В Наотояцее время при развитии систем* в которых присутствует непрерывной представление информации, доминирует тенденция построения о использованием линэйного аналого-цифрового преобразования мгновенных значений входных сигналов и обработки даипых в цифровой форме* Внходныз непрерывные сигналы при этом формируются з результате линейного цифроаналогового преобразования вычисленных значений выходных переменных. Однако такое построение часто ведет е неоправданному укесточзііїш требования как к преобразователям, таг. и к Цифровому блоку по точности, а Производительности. ..
Приобработка непрзрканой информации возникает широкий круг задач Предв"арителького прэ образования, включавший нормализации и 1льтрацив-Сигналов, прзобразование непрерывной информации в отсчеты цифрового кода, контроль аналоговых блоков, коррекции пог-реанооти, осуществление взаимной связи перзичных преобразователей о цифровыми вычислителями и, другие задачи предварительной обработки данных.
Для выполнения подобных задач могут использоваться аналого-цифровые гізрифзріїйниз вычислительные уотройства, в которых обработка мояет осуществляться в цифровой, аналоговой или смешанной форме»Рациональный выбор формапредставлення информации при выполнении различных операций позволяет существенно повысить быотро-дейотвйс ^отройотв и точность об работки данных.
Работа посвящена' сйвериенотвованип теории и инженерных кето»
дов проектирования аналого-цифровых процеаооров ввода-вывода и предварительной обработки информации - интеллектуальных посредников ыеащу управляющей ЭЗЯ и аналоговой периферией системи управления. Их важнейшей оообенностьв явдяетоя тесное взаишдействиэ с центральним процессором (ЦП) системы на физическом и программном уровне, а основное требование к ним - обеспечение высокой точности преобразования и обработка данных в реальном масштабе времени при гибкости программирования. Ьто позволяет выделить аналого-цифровые процессоры вводе-вывода и предварительной обработки непрерывной информации (АЩШ) как самостоятельный класс устройств вычислительной техники и систем управления.
Программируемое^ АЩ1П определяет целый ряд особенностей их построения, требует поиска общих принципов организации их функционирования, в рамках которых аффективно решались бы вопросы обеспечения высокой точности преобразования и решения достаточно широкого круга задач обработки информации.
Состояние проблемы. В области повышения точности оиотем ввода-вывода непрерывной информации ведутся интенсивные исследования у нас в стране и за рубежом. Повышение точности монет достигаться как технологическими методами, ориентированными на создание компонентов повышенной точности и отабильнооти, так и отруктурныии методами, предусматривающими компенсации иди коррекций погрезноотей исходных компонентов. Несмотря на значительный успехи.технологии трудно рассчитывать на появление в ближайяее время технологий, обеспечивающих погрешность аналого-цифровых элементов в составе монолитных БИС менее 0,01%, » даже приближение к этому уровне на пути совершенствования технологии приводит к большим затратам на изготовление подобных приборов, росту их стоимости, сниненио надежности. Поэтому значительное1 внимание уделяется отруктурным методам. Существенный вклад в разработку структурных методов повыет-ния точности внесли научные коллективы, основанные и руководимые Алиевым Т.М., Гитисом Э.И., Касперовичен А.Н., Кондалевым А.И., Ребане Р.-А. П., Островерховым В.В., Смоловим В.Б., Стаховым А.П., Федорковим Б.Г., Шляндиным В.М. и другие. Иэвесны разработки зарубежных фирм: "Л no og Devise" "бигі 'Ьіоиґп'І "Ct&lgtt semUon-сіисІогґ/ІпїєгіЩ 'Н/Чосйу" и других.
Однако до сих пор разработка средств автоматического контроля и коррекции ведется в основном на интуитивном уровне, 3 связи о этим возникли серьезные проблемы с коррекцией нелинейных составляющих погрешности, налицо чрезмерные затраты времени и оборудования на контроль и коррекцию. Отсутствуют обобиаюаие исследования в области структурних методов коррекции динамических погрезно-отей.
Программируемые аналого-цифровые устройства строятся главным образом на основе элементов с цифроупраэляемыми параметрами, Пионерскими в этом направлении яэились работы З.Б.Смолова. Впоследствии в разработку подобных устройств существенный вклад внесли Алексеев Г.И., Волгин Л.И., Герасимов 11,3., Гутников Б.С, Пухов Г.Е., Смеляхов ІЗ.5., Угромов Е.Л., Фомичев B.C., Циделко З.Д., Чернявский Е.А,, Карллпс У., Корн Г., Мейер і-.., Сандер У., Тауер M.S., Шмид Г, и другие. Однако больнинство известных публикаций рассматривают аналого-цифровой вычислитель как автономное устройство. Вопросы рационального выбора набора компонентов для ревекия конкретного набора задач, оптимизация распределения системной задачи медду аналого-цифровым блоком сиотемы и центральным процессором, являющиеся основой структурного оинтеза вычислительно-управлявшей сиотемы, недостаточно исследованы.
Решение задач оптимального оинтеза сложных систем опирается на теоретический фундамент,' заложенный в работах Фельдбаума А.А., Горбатова В.А., Норенкова И.П., Половинкина Л.И., Цвиркуна А.Д. Применительно к задачам проектирования аналого-цифровых систем вопросы структурного синтеза разрабатывали Кондалев А,И.., Моисеев B.C., Мухопад Ю.Ф., Собкин Б.Л. и другие.
Вместе о тем ряд важных особенностей аналого-цифровых управляющих вычислительных комплексов, превде всего, многовариантность выбора исполнителей решаемой в системе задачи, учет общесистемных требований, например ограничения на время обслуживания подзадач, нет функциональной и иной совместимости узлов недостаточно учитываются в иэвеотных работах.
Принимая во внимание выаеизложенное, модао сделать следующие >сновные выводы:
- в настоящее время разработка структурных методов повышения
- n -
точности, являпщаяол глазной предпосылкой создания высокоэффективных аналого-цифровых процессоров, ограничивается небором рецептурных приемов ревения чаотных задач, и, как следствие, отсутствием эффективных средств компенсации ряда составляющих нелинейных пог-ремности преобразования;
, - практически не реаены проблемы поиска оптимальных структур комплексов, работающих со смешанным представлением информации;
- разработку теории и методов проектирования аналого-цифровых
процессоров впода-выводе и предварительной обработки непрерывной
информации можно квалифицировать кок крупную научно-техническуп
проблему в теории специализированных средств вычислительной техни
ки о важным народно-хозяйственным значением»
Цель и основные задачи работы. Целью исследования является разработка теории аналого-цифровых процессоров ввода-вывода и предварительной обработки непрерывной информации, совершенствование существующих и создание новых методов их построения, ориентированных на умеиьаение погрешностей и перестройку на решение типовых задач обработки, а также методов структурного синтеза аналого-цифровых процессоров.
Исходя из поставленной цели в диссертации решаются следующие основные задачи:
иосчедование источников погреаности преобразователей формы информации и разработка методов их идентификации;
развитие теории планирования экспериментов и разработке на ее основе аффективных способов контроля и коррекции погрешностей}
выделение известны.; и разработка новых структур вычислительных аналого-цифровых преобразователей, их декомпозиция с целью последующего объединения в рамках перестраиваемого аналого-цифрового процессора;
-' разработка алгоритмов оптимального распределения реиаемой задачи з многоканальной системе ввода-вывода и предварительной обработки информации;
- развитие логи.чокомбинаторного подхода х синтезу сложных сис
тем и теории синтеза операционных устройств применительно к ровенив
задач проектирования устройств'со смешанным представлением инфор
мации.
Методы исследования базируются на общей теории вычислительных систем, теории электрических цепей, теории планирования экспериментов, теории якал, теории переключательных функций, теории автоматов, математическом программировании. Ширлко используется моделирование- на ЭВМ, экспериментальные методы.
Научная новизна. Основные научные результаты, полученные в работе состоят в следующем:
I. Выделены принципы организации программируемых аналого-цифровые процессоров ввода-вивода и предварительной обработки непрерывной ййформедий.
2» Прздлойен и обоснован иерархический ряд моделей погреаио-стой преобразователей формы информации»
3." Предложен единый подход к организации контроля погрешностей преобразователей о использованием метода дифференциальных измерз» вйп, основанный на поиске оптимальных по чувствительности планов тестовых экспериментов и реяенни Систем уравнений, порождаемых ре» эульватайи измерений.
.4.Заедена в рассмотрение обобщенная модель преобразователей ^ормы информации с коррекцией погреаностеа,- выведены новые положения теории дискретных икал, позволяющие определять условия осуче-зтвимостй коррекции и контроля двух- и многоступенчатых структур ірзьбразаваяйя» синтезировать новые структуры*
5, Зведено формальное описание, созданы методики и разработа-10 алгоритмическое обеспечение; оинтеза средств предварительной об-заботкй непрерывной информации на системном, модульном и функцио-шльно-логйчееком уровнях*
Практическая ценность» Полученный в работе результаты состав-іятзт теоретическую и- техническую основу аналого-цифровых устройств ювыяениой точности и производительности, обладавших расаиренными Іункциональнини возможностями. Разработан ряд новых способов конт- . юля и коррекции статических и динамических пограеностей, обеспечи-івих ооздоние устройств, характеризушихся недостигавзимся ранее сочетанием.точности и производительности. Разработанные средства юдеянрования процессов преобразований с автоматической коррекцией
_ 6 -
погреяностей позволяют определять оптимальное соотношение параметров компонентов и предельно достижимые точностные характеристики оиотем автокоррекции. Предложенные в работе подходы к синтезу систем обработки непрерывной информации, выбору исполнителей фрагментов задач обеспечивают основные этапы проектирования подобных систем и имеет значение, выходящее за рамки средств обработки непрерывной информации в область общей теории распределенных вычислительных систем.
Достоверность и эффективность разработанных моделей, методик и алгоритмов анализа и синтеза подтверждены практическим изготовлением при непосредственном участии автора и экспериментальной проверкой ряда устрой отв преобразования информации, включенных в системы контроля и управления, разработанные по заказам научно-исследовательских и промышленных организаций.
Тематика диссертационной работы тесно связана о. планом хоздоговорных и госбюджетных НИР, выполняемых JSffl им. В.И.Ульянова (Ленина). Исследования выполнены на кафедре Вычислительной техники ЛЗТИ о 1978 по 1989 г.г, по заказам ведуцих организаций: Всесоюзный научно-исследовательский институт электроизмерительных приборов (ВНИИЗП}, Всесоюзный научно-исследовательский и конструкторский институт медицинокой лабораторной техники (ВНИКИ МЛТ), НПО "Всесоюзний научночіселедовательский институт метрологии им, Д,И.Менделеева" и ряда других организаций. Значительная чаоть работ выполнена'. по договорам о творчеоком сотрудничестве.
Внедрение результатов. Результаты проведенных исследований нашли практическое применение в следующих разработках, выполненных при непосредственном участии автора:
многоканальный измерительный прибор для определения параметров переменного тока (ВНШЭД, 1985 г.),
иеотнадцатиразрядный АЦП для системы управления химическим производством (1986 г.),
автоматизированная измерительная система для измерения параметров электронного парамагнитного резонанса (1986 г.),
быстродействующий параллельно-лосяедовательный шестнадцатиразрядный АЦП (НТО АН ОЗСР, 1988 г.),
микропроцессорный контроллер для управления линейным уокори-телем электронов (НИИЭЗД им. Д.В.Ефремова, 1987 г.),
микропроцессорный контроллер для образцового газоанализатора (НПО "ЗНИИМ им. Д.11.Менделеева, 1987 г.),
многофункциональный преобразователь КМП6І6ХАІП (ЗНИИЭ.1, 1981 г.),
многофункциональный аналого-цифровой преобразователь - лине-ариэатор характеристик термопар (ЗНИИЗЛ, 1985 г.),
многоканальная система ввода-вывода аналоговой информации (1989 г.).
На указанные разработки имеются официальные акты, подтверждающие использование й них результатов диссертации. Суммарный экономический эффект от внедрение результатов работы составляет 797 тыо. рублей в год.
Ооновные результаты диссертационной работы попользуются в учебном процеосе ЛЗТИ им, В.И.Ульянова (Ленина) при чтении курсов и проведении лабораторных работ по дисциплинам "Структурные олементн и узлы I33M", "[Проектирование микропроцессорных оистем", "Спецпроцессоры ЭВМ и других. Материалы диссертации использованы в четырех учебных пособиях.
Аппробация работы. Основные научные и практические результаты исследования дохладыэалиоь и обсуждались на 3,4,5 Зсесоозиых конференциях "Дальнейшее развитие аналоговой и аналого-цифровой вычислительной техники" (М., 1969, I973..I977;} 4,5,6 Всесоюзных симпозиумах "Проблемы создания преобразователей форма информациим(Киев, I960, 1984, 1988); Всесоюзной конференции "Линейные интегральные схемы й их применение в приборостроении" (Л., 1977); Зсесовзном научно-техническом семинаре "Вопросы теории и проектирования измерительных преобразователей параметров электрических оигналов и цепей" (Ульяновск, 1978); Зсесопзной конференции "Коммутация и преобразование малых сигналов" (Л., 1981); 2 Всесоюзнойконференции "Методы и микроэлектронные средства цифрового преобразования и обработки сиг-колов".; 2 Всесоюзный конференции "Применение микропроцессорной техники при автоматизации технологических процессов: Информэлектро"1 (М., 1987); Всесоюзном симпозиуме по, цифровой обработке сигналов (Л., Г988); Межрегиональной конференции "Методы и средства управления технологическими процессами" (Саранск, 1989); Региональных кон-, ференциях "Методы и средства аналого-цифрового преобразования параметров электрических цепей и сигналов" (Пенза, І98.І, 1983, 1985,
- є -
І9Ш); Конференции "Методи и оредства цифрового іірзобразованид и обработки информации (M.s 1935); Республиканской конференции "Устройства преобразования информации для контроля и управления в энергетике" (Харьков, I988)j *і научное конференции о учаатиеи болгарских аспирантов и докторантов в Ленинграда (Л., 1986), о также научно-технических конференциях профессорско-преподавательского состава ЛЗТМ им. В.й.Ульянова (Ленина) І975-І989 г.г.
Выполненные разработки отмечены бронзовой медалью ВДНХ СССР (1986 г,), трзтьей премией и бронзовой медалью Минвуза СССР "За яучэуц научную работу" (1966 г.), дипломами второй степени на конкурсах Ленинградского отделения НТО приборостроителей в 1987 и 1988 годах.
Публикации. Результаты диссертации опубликованы в 90 работах в изданиях, включенных в списки БАК СССР, в том числе трех монографиях, брошюре, четырех учебнія пособиях, получено 26 авторских свидетельств.
Положения, выносимые на защиту.
-
Методы контроля и коррекции преобразователей йтриы информации, основанные на периодическом тестовом контроле о использованием дифференциальных измерений и идентификации источников погрешности, предусматривающие репение сиегг.ч уравнений, получаемых подстановкой результатов измерений в уравнение принятой модели, а їшжз методика синтеза оптимальных наборов тестовых испытаний,
-
Обобщенная модель преобразователей формы информации с коррекцией и новые положения теории дискретных вкал, позволяющие определять условия осуществимости контроля и коррекции, оптимизировать аппаратурные и временные затрати, синтезировать новые структуры преобразователей.
-
Методика синтеза систем ввода-вызода и предварительной обработки непрерывной информации, методическое, алгоритмическое обеспечение его основных втапов (системного, модульного, функционально-логического).
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, иесги разделов, заключения и содержит 260 стр, машинописного текота, 48 рисунков, 7 таблиц. Библиография содержит 329 наименований.
