автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.05, диссертация на тему:Аналого-цифровой преобразователь в кодах "золотой пропорции" на основе нейронной архитектуры

На правах рукописи

СМИРНОВ Дмитрий Николаевич

АНАЛОГО-ЦИФРОВОЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ В КОДАХ «ЗОЛОТОЙ ПРОПОРЦИИ» НА ОСНОВЕ НЕЙРОННОЙ АРХИТЕКТУРЫ

Специальность 05.13 05 - «Элементы и устройства вычислительной техники и систем управления»

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

003161156

Пермь 2007

Работа выполнена на кафедре «Автоматика и телемеханика» Пермского государственного технического университета

Научный руководитель

кандидат технических наук Белоусов В В

Официальные оппоненты

доктор физико-математических наук, профессор M Б Гитман,

(ПГТУ),

кандидат технических наук С В Березняков, (ОАО «СТАР»)

Ведущая организация ФГУП НЙИУМС г Пермь

Защита диссертации состоится «02» ноября 2007 г в 14 часов 00 минут на заседании диссертационного совета Д212 188 04 Пермского государственного технического университета по адресу 614600, г Пермь, Комсомольский пр , 29, ауд 423Б

С диссертацией можно ознакомиться в научной библиотеке Пермского государственного технического университета

Отзывы на автореферат (в двух экземплярах, подписанные и заверенные печатью) просьба направлять по адресу 614600, г Пермь, Комсомольский пр, 29, ученому секретарю Пермского государственного технического университета Макаревичу В И

Автореферат разослан «28» сентября 2007 г

Ученый секретарь диссертационного совета доктор технических наук, профессор

А А Южаков

Общая характеристика работы

Актуальность работы. Информационные технологии имеют огромное и непрерывно возрастающее значение в жизни человечества, охватывая широкий круг задач, связанных главным образом со сбором, переработкой, передачей, хранением, поиском и выдачей информации человеку или машине При этом особое место в этом ряду занимает измерительная техника, которая предназначена для получения опытным путем количественно определенной информации об объектах материального мира С увеличением степени сложности создаваемых технических и технологических систем и комплексов значительно увеличивается и усложняется объем обрабатываемой информации, представленной в цифровом виде, и возрастают требования к точности и надежности измерений. Это определяет актуальность создания и совершенствования аналого-цифровых преобразователей (АЦП), предназначенных для высокоточностных измерений аналоговых параметров сложных динамических объектов и быстротекущих процессов и представления измеренных сигналов в цифровой форме Широкое распространение и использование в телекоммуникационных и вычислительных системах технических средств для цифровой передачи данных, речи, аудио- и видеоинформации, цифрового телевидения и т п увеличивает интерес к современным системам измерения и преобразования информации, а также значимость указанной проблемы В этих условиях исследование и разработка новых принципов и алгоритмов преобразования, а также методов и базисов проектирования современных АЦП - перспективная и актуальная задача

Широкое применение средств цифровой вычислительной техники при построении аналого-цифровых преобразователей (АЦП) ориентировано на обеспечение высоких метрологических и эксплуатационных характеристик АЦП Указанные задачи нашли отражение в работах ведущих отечественных ученых Смолова В Б , Гитиса Э И., Новицкого П В , Цвет-коваЭ.Н и др.

Современная тенденция развития АЦП и цифро-аналоговых преобразователей (ЦАП) состоит в увеличении скорости и разрешающей способности обработки сигналов при уменьшении уровня потребляемой мощности и напряжения питания

Более низкие напряжения питания подразумевают меньшие диапазоны входных напряжений и, следовательно, большую чувствительность к разного вида помехам шумам от источников питания, некачественным опорным и цифровым сигналам, электромагнитным воздействиям и радиопомехам (ЕШ/Ю7!) и, возможно наиболее важный момент - к некачественным методам развязки, заземления и размещения компонентов на многослойной печатной плате или подложке СБИС (ПЛИС)

Несмотря на ряд проблем, в настоящее время доступны компоненты, которые обладают чрезвычайно высокими разрешающими способностями при низких напряжениях питания и малой потребляемой мощности

Одно из направлений, удовлетворяющих указанным требованиям, состоит в реализации АЦП нейронной архитектуры Данная задача в настоящее время решается на базе использования методов, алгоритмов и структур АЦП широко представленных в работах Авдеева Б .Я, Гаранина И М., Мановцева А П, Новоселова О Н, Переверткина О.М., Прангишви-ли И В, Евреинова Э.В , Peterson Н Р, Estnn G, Койфмана А А, Южакова А А и др Однако, реализация таких структур осуществляется в обычной двоичной позиционной системе счисления

Исследования, проведенные Стаховым А П, показали, что применение кодов Фибоначчи и кодов «золотой пропорции» позволяют улучшить такие технические характеристики АЦП, как: точность, достоверность и надежность преобразования

В настоящей работе эти проблемы предлагается решить с помощью объединения «нестандартной» системы счисления (системы счисления Бергмана), являющейся основой кодов «золотой пропорции», возможностей современной микроэлектронной техники и новых архитектурных решений АЦП, основанных на применении нейронных технологий В указанной постановке данная проблема рассматривается впервые

В работе показано, что возможный путь создания АЦП, отвечающих современным требованиям, основан на их реализации в классе нейронных адаптивных структур на базе кодов «золотой пропорции» Учитывая сложность решаемых при проектировании указанного класса АЦП задач, в работе показано, что одной из основных по важности и сложности является разработка методики проектирования, анализа и количественной оценки погрешности нейронной измерительной сети

Объектом исследования является адаптивный нейронный аналого-цифровой преобразователь на базе кодов «золотой пропорции» и его сетевые архитектуры

Целью диссертационной работы является разработка методики проектирования, расчета оптимального объема аппаратуры адаптивного нейронного АЦП, реализуемого на основе кодов «золотой пропорции» и сетевой архитектуры, удовлетворяющего заданным требованиям по точности измерений, надежности функционирования и эксплуатационным характеристикам

В соответствии с поставленной целью в работе формулируются и решаются следующие основные задачи

- разработать принципы построения и архитектуры адаптивных нейронных АЦП в кодах «золотой пропорции», включающих структурно-логическую организацию указанного класса АЦП, принципы построения

связей нейронов, способы построения измерительного нейрона в кодах «золотой пропорции», методы синтеза топологии адаптивного АЦП,

- исследовать процесс квантования в коде «золотой пропорции» и режимы работы АЦП, оценить избыточность кода «золотой пропорции» по отношению к двоичному коду, характеристики процесса исправления и обнаружения ошибок, линеаризацию градуировочной характеристики,

- разработать аналитическую и имитационную модели адаптивного нейронного АЦП как модели СМО с изменяющимися параметрами, которые характеризуются неоднородным входным потоком, переменным числом обслуживающих приборов,

- разработать методику рационального построения структуры нейронного АЦП в кодах «золотой пропорции» с заданными точностными характеристиками,

- провести практическую апробацию АЦП, методов и моделей проектирования, реализованных на основе предложенных в диссертационной работе подходов

Методы исследования базируются на использовании элементов теории кодирования, теории систем массового обслуживания, теории вероятностей и математической статистики, методов аналитического и имитационного моделирования

Научная новизна работы заключается в

- полученных методологических основах классификации адаптивных нейронных АЦП в кодах «золотой пропорции»,

- созданных принципах построения функционально полных структур адаптивных нейронных АЦП в кодах «золотой пропорции»,

- предложенных методах определения вероятностно-временных характеристик созданных АЦП как моделей СМО,

- комплексе прикладных результатов синтеза архитектуры, схемных решений АЦП в кодах «золотой пропорции», программных средств, обеспечивающих решение задач расчета технических и метрологических характеристик рассматриваемого класса АЦП.

На защиту автором выносятся следующие основные научные положения

- разработанные принципы построения сетевых архитектур нейронных АЦП на основе кодов «золотой пропорции»,

- разработанная методика синтеза и полученные результаты анализа процесса квантования в коде «золотой пропорции», режимов работы адаптивных нейронных АЦП, корректирующей способности кодов «золотой пропорции» в классе константных и параметрических дефектов, линеаризации градуировочной характеристики АЦП в кодах «золотой пропорции»,

- разработанные аналитическая и имитационная модели нейронного АЦП в кодах «золотой пропорции» с сетевой архитектурой, относящиеся к классу СМО с изменяющимися параметрами, неоднородным входным по-

током, переменным числом обслуживающих приборов и интенсивностью обслуживания заявки отдельной совокупностью обслуживающих приборов,

- разработанная методика определения вероятностно-временных характеристик созданных моделей СМО, обеспечивающая рекуррентность вычислений, что ускоряет расчеты и снижает затраты машинного времени на вычисления,

- разработанная методика расчета оптимального объема оборудования нейронного АЦП в кодах «золотой пропорции», с заданными точностными характеристиками,

- разработанная оригинальная аппаратурно-программная реализация многоканального нейронного измерительного гфеобразователя (АЦП) с перестраиваемой структурой в составе многоуровневой системы автоматизации испытаний

Достоверность научных положений, выводов и практических рекомендаций подтверждена корректным теоретическим обоснованием приведенных доказательств и утверждений Адекватность предложенных моделей (сходимость не хуже 2 %) доказана с использованием имитационного моделирования, статистических критериев и экспериментальных исследований на примере нейронного АЦП в кодах «золотой пропорции» с сетевой архитектурой

Практическая пенность работы. Предложенные принципы построения и сетевые архитектуры многоканальных адаптивных нейронных АЦП на основе кодов «золотой пропорции» способствуют существенному улучшению характеристик АЦП Разработанные аналитические и имитационные модели и методы позволяют снизить затраты машинного времени на корректные вычисления вероятностно-временных характеристик созданных моделей и расчеты оптимального объема оборудования исследуемого класса АЦП с заданными точностными характеристиками

Внедрение результатов работы. Основные теоретические результаты диссертационной работы были использованы при разработке аппаратно-программной реализации многоканального, адаптивного АЦП с кодом «золотой пропорции» и архитектурой нейронной сети в составе многоуровневой системы автоматизации испытаний Опытная эксплуатация подтвердила эффективность применения рассматриваемого класса АЦП Материалы диссертации использовались а рамках НИР «Разработка системы автоматизации испытаний авиационных агрегатов», осуществляемой совместно с ЗАО «ИВС-сети» в течение 2005 года Разработанная система автоматизации испытаний и многоканальный, нейронный АЦП внедрены в опытную эксплуатацию в ОАО ПНППК (г Пермь)

Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы докладывались и получили положительную оценку на международных и региональных научно-практических конференциях 2005 - 2006 годах

- ХХХД международная конференция, П1 международная конференция молодых ученых «Информационные технологии в науке, образовании, телекоммуникации и бизнесе 1Т + 8&Е05» - Украина, Крым, Ялта-Гурзуф, май, 2005

- Региональная НТК «Повышение эффективности и качества систем и средств управления» (Пермь, 2004—2005 г г ),

- XXXIII международная конференция, IV международная конференция молодых ученых «Информационные технологии в науке, образовании, телекоммуникации и бизнесе 1Т + 8&Е'06» - Украина, Крым, Ялта-Гурзуф, 2006

Публикации Основные результаты диссертационной работы достаточно полно изложены в 7 печатных работах, в том числе опубликована статья в журнале, указанном в перечне ведущих рецензируемых научных журналов и изданий, в которых должны быть опубликованы основные научные результаты диссертационных работ на соискание ученой степени доктора и кандидата наук

Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, заключения, списка литературы, включающего 48 наименований, и двух приложений Основная часть изложена на 129 страницах машинописного текста, иллюстрируется 55 рисунками и 20 таблицами

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы диссертации, сформулированы цели и задачи работы, раскрыты научная новизна и практическая ценность результатов работы, перечислены положения, выносимые на защиту

В первой главе проводится сравнительный анализ системы счисления с иррациональным основанием с традиционной двоичной позиционной системой счисления по критериям естественной избыточности системы и представления отрицательных чисел Двоичная система счисления с иррациональным основанием, в частности, система Бергмана или код «золотой пропорции», представляет действительное число А следующим образом

л=1>гт', (1)

I

где й, = 0 или 1; г = 0, ±1, ±2, . , х - основание системы счисления Бергмана, причем х = 1>618 («золотая пропорция»), является действительным положительным корнем уравнения х2 = х +1

Для кодов «золотой пропорцию) справедливо следующее уравнение

+ т

1 , ~"-2 (2)

где и = О, ±1, ±2, ±3 .

Система Бергмана обладает следующими замечательными свойствами

- некоторые иррациональные числа (степени т и их суммы) могут быть представлены конечной совокупностью двоичных цифр,

- любое число системы имеет множественные представления, в основе которых лежит соотношение (2) и, следовательно, система Бергмана -избыточная система счисления

Следует отметить, что традиционная двоичная позиционная система счисления является неизбыточной системой.

Вводится ряд понятий и определений, в частности: «свертка», «развертка», обозначающие соответствующие кодовые преобразования числа, «минимальная» и «максимальная» формы представления числа и другие

В работе анализируется обобщенная система счисления Бергмана, в которой основание системы хр («золотая ¿»-пропорция»), является действительным корнем алгебраического уравнения

хрН=хр+\, (3)

где целое числор = 0,1,2, 3, .

При этом в обобщенной системе Бергмана сохраняется двоичное представление числа

В работе исследуется система счисления Бергмана при р = 1 и существенно используется естественная избыточность этой системы при кодировании состояний АЦП для целей контроля правильности функционирования устройств и исправления ошибок из-за константных дефектов и сбоев аппаратуры, а также для коррекции параметрических дефектов

Во второй главе разработаны принципы построения АЦП поразрядного кодирования в коде «золотой пропорции» («золотой» АЦП), исследуется корректирующая способность кодов состояний «золотого» АЦП при обнаружении и исправлении ошибок, вызываемых сбоями и различного вида устойчивыми дефектами аппаратуры АЦП

Проведенный анализ специфики построения и функционирования АЦП показал низкую эффективность применения для повышения надежности указанных устройств известных алгебраических кодов и алгоритмов декодирования, широко используемых при передаче данных В АЦП целесообразно применение других, отличных от классических, методов введения и использования кодовой избыточности, учитывающих особенности аналого-цифрового и цифро-аналогового каналов и основанные, в частности, на естественной избыточности систем счисления Бергмана.

В работе предложена функциональная схема АЦП поразрядного кодирования в коде «золотой пропорции», приведенная на рис 1

Данная структура и алгоритм ее функционирования принципиально не отличаются от известного АЦП «поразрядного кодирования» в двоичном позиционном коде Однако предложенный АЦП функционирует в коде «золотой пропорции», у которого веса двоичных разрядов связаны соотношением т" = т"-1 + т"~2, и это придает АЦП ряд новых качественный свойств Сопротивления резисторов Я1, В2, КЪ матрицы ЦАП (рис. 1) равны Ж = х-1* « 0,618034«; К2 = т2Д « 2,6180347?; ДЗ = тД « 1,618034/?, где Я - некоторое эталонное сопротивление При этом матрица ЦАП (рис 1)

Рис 1 Функциональная схема 8-разрядного АЦП поразрядного кодирования в коде «золотой пропорции»

формирует эталонный ток по заданному коду «золотой пропорции»

г - 1 V- _< X К Т 1=0

Усилитель постоянного тока (УПТ) преобразует эталонный ток в эталонное напряжение иуЬ

иуо-1А = = . (4)

тЧ? т 1=0 1=0

где к - коэффициент пропорциональности, определяющий ширину диапазона изменений эталонного напряжения £/эт согласно закону кода «золотой пропорции»

Проведенный анализ процесса кваАтавания в коде «золотой пропорции» позволил выявить ряд закономерностей, в частности неравномерное квантование (в отличие от равномерного квантования в АЦП поразрядного кодирования на основе двоичного позиционного кода) Причем независимо от числа уровней квантования имеются всего два типа квантов (шагов

квантования), отношение между которыми соответствуют «золотой пропорции» т » 1,618, получена зависимость между числом кодовых комбинаций для и-разрядного кода, удовлетворяющих признаку «минимальной формы» и членами ряда Фибоначчи, а именно - указанное число кодовых комбинаций равно (и + 2)-му члену ряда Фибоначчи, получена оценка избыточности кода «золотой пропорции» по отношению к двоичному коду

В работе предложено решение, позволяющие определить величины нормированного шага квантования в «-разрядном АЦП в коде «золотой пропорции»

'Ща) К+Щ{п)К=\,

(5)

.к

где /У*! (и) и И2 (и) - соответственно число шагов квантования Нх и И^ для и-разрядного кода «золотой пропорции» Для системы уравнений (5) найдены и приведены в диссертации решения для и < 21 Установлено, что с ростом разрядности кода и погрешность квантования по уровню в «золотом» АЦП уменьшается медленнее, чем в двоичном АЦП

Анализ корректирующей способности избыточных кодов состояний «золотого» АЦП выполнялся для следующей модели дефектов

- сбои и устойчивые константные дефекты цифровых элементов

АЦП,

- параметрические дефекты ЦАП, влияющие на линейность выходной характеристики АЦП и, в частности, на статические параметры АЦП-погрешность полной шкалы, погрешность смещения нуля, нелинейность, дифференциальная нелинейность, температурная нестабильность

В результате анализа показано, что погрешности полной шкалы и смещения нуля АЦП могут быть уменьшены подстройкой аналоговой части схемы, или коррекцией вычислительного алгоритма цифровой части устройства, то погрешности линейности характеристики преобразования не могут быть устранены такими простыми средствами, поэтому они являются важнейшими и наиболее критичными метрологическими характеристиками АЦП

Проведенное аналитическое моделирование однократных и кратных дефектов цифровых элементов «золотого» АЦП и порождаемых ими ошибок в кодовых векторах показало следующее исправляются однократные ошибки типа «1 —> 0» и обнаруживаются кратные ошибки той же направленности, обнаруживаются ошибки типа «0 1», произошедшие сразу после единичного результата сравнения или если подряд произошли две и более ошибок указанного типа «

Предложен алгоритм построения полного теста для линеаризации АЦП, позволяющий локализовать кратные параметрические дефекты ЦАП, в частности, определить величину и знак погрешности изменения идеального веса разряда ЦАП (напряжение на выходе ЦАП) Алгоритм строится на основе системы уравнений, заданных в матричной форме, ре-

и

шениями которой и являются искомые алгебраические величины погрешностей Для реализации алгоритма необходимо

- наличие «-эталонных напряжений, подаваемых на вход АЦП, которые должны быть постоянными на интервале 2-х измерений,

- использование вычислительного устройства, реализующего целочисленное решение системы уравнений,

- наличие временного ресурса (избыточности) достаточного для реализации алгоритма, согласно уравнению (6)

1„=2п(п + 2)11, (6)

где - полное время линеаризации «золотого» АЦП, ^ - апертурное время одного разряда «золотого» АЦП

Проведен сравнительный анализ эффективности коррекции ошибок из-за цифровых и параметрических дефектов, в рамках предложенной модели дефектов, в разработанном АЦП на основе кодов «золотой пропорции» и известными методами коррекции линейности на основе «образцовых мер» и парирования ошибок цифровых элементов с помощью мажоритарного способа Показано, что АЦП в кодах «золотой пропорции» обладает меньшей аппаратной избыточностью, но реализация преобразования требует более высоких временных затрат

Третья глава посвящена разработке и исследованию принципов построения, архитектур и особенностей функционирования адаптивного АЦП в кодах «золотой пропорции» на базе нейронной сети Математической моделью указанного типа АЦП является автомат с настраиваемой структурой (АНС), основными признаками которого являются переменность, параллельность, однородность, и регулярность В работе анализируются АНС, в частности, формальный нейрон и сеть формальных нейронов (нейронная сеть) Выделяются разновидности формального нейрона по виду активационной функции пороговая функция, сигмоидальная логистическая функция, функция гиперболического тангенса Дается оценка разнотипным нейронам Показано, что наиболее полно свойства, требуемые для реализации АЦП, проявляются при соединении нейронов в сеть Нейронная сеть позволяет добиться параллельности обработки информации, что значительно увеличивает скорость обработки, возможность адаптации структуры и достоверность результатов Объектом исследования в диссертации являются детерминированные сети, т е сети, в которых взаимодействие предопределено и описывается известными математическими соотношениями Таким образом, разрабатываемый и исследуемый АЦП представляет собой структуру с детерминированным взаимодействием нейронов и математически однозначной взаимосвязью

В работе представлена классификация базовых структур нейронных сетей по критериям - разновидность топологий (различают регулярные и нерегулярные сети) и наличию запаздывания при передаче информации

между нейронами (выделяют разновидности сетей с мгновенной либо с конечной скоростью передачи сигналов в нейроне). В регулярных нейронный сетях (сетях без памяти) выделяют однослойные и многослойные правильные сети с памятью или сети с обратными связями С позиций приведенной классификации нейронных сетей и с учетом особенностей функционирования многоканального АЦП (МАЦП) с поразрядным кодированием в кодах «золотой пропорции», для адекватной реализации МАЦП выбирается однородная, детерминированная, многослойная нейронная сеть с обратными связями

Проведенные исследования архитектур, топологий, особенностей функционирования промышленных вычислительных сетей показали, что наиболее распространенной структурой является моноканал (системы РюЫЬш), принятой в качестве основной топологии сетевой реализации МАЦП. Разработаны принципы построения и структура МАЦП поразрядного кодирования в коде «золотой пропорции» на базе линейного моноканала нейронной сети

Получены оценки аппаратурных затрат на реализацию разработанных МАЦП на базе моноканала (АЦПмн) и приведен сравнительный анализ сложности реализации по отношению к многоканальному параллельному АЦП в кодах «золотой пропорции» (АЦППр)

Зш&Ир = 25<Ю + 2\6впВШ1и (7)

Здцпмн = 2500' + ЛЗиэма, (В)

где 2506 - эквивалентные затраты на реализацию сравнивающего устройства и масштабирующего усилителя для С входных каналов АЦП, 2160итах — эквивалентные затраты на создание измерительных устройств в АЦПпр, число которых определяется максимальной разрядностью кода «золотой пропорции» (ишах,) и числом преобразователей (С), IV- количество ИЭ в структуре АЦПмн, определенные по методике, представленной в гл 4

Результаты расчетов представлены в табл 1 с учетом вероятности отказа в обслуживании МАЦПмн равной Ю-6

Таблица 1

\£? 2 4 8 16 32

АЦПИ АЦП„» АЦПд, АЦП„н АЦПпр АЦПМИ АЦПпр АЦП» АЦП„р АЦП„Н

16 7412 8148 14824 14719 29648 24875 59296 36235 118592 57764

14 6548 7192 13096 13105 26192 21906 52384 37937 104768 52109

12 5682 6236 11368 11491 22736 19485 46472 27492 90944 45323

10 4820 5280 9640 9608 19280 16795 38560 24434 77120 39668

Сравнительный анализ архитектур по функциональным возможностям, аппаратурным затратам и относительной удельной пропускной способности показал, что для МАЦП на основе однородных нейронных сетей с моноканалом линейного типа выигрыш в аппаратурных затратах по

сравнению с классической архитектурой параллельного АЦП^ наступает уже при числе входов преобразователя, равных четырем

В четвертой главе с позиции теории систем массового обслуживания (СМО) разрабатывается методика определения вероятностно-временных характеристик (ВВХ) многоканального адаптивного АЦП, функционирующего в кодах «золотой пропорции», и реализованного на основе нейронной сети, осуществляется подбор адекватной модели СМО и решается задача адаптации разработанной методики для реализации в типовой инструментальной среде Функционирование модели указанного типа АЦП как СМО описывается следующим образом На вход АЦП поступают входные сигналы х„ образующие неоднородный поток заявок на измерение с суммарной интенсивностью А^ Каждая заявка требует для своего обслуживания случайное число (т) приборов из общего числа п обслуживающих приборов

Закон распределения вероятностей числа требуемых заявками приборов произвольный в некотором диапазоне- т. е [дтт - дтах], таким обра-

9шах

зом ^Р(т) -1, при этом время измерения (¿И3!) определяется выражени-

т=9тт

ем

^,=(2^+4 (9)

где ¿1 - апертурное время преобразования одного разряда АЦП, д, - требуемое число разрядов кода «золотой пропорции» при реализации АЦП алгоритма поразрядного кодирования

Интенсивность обслуживания заявки с требованием на т приборов

равна

- (10)

т 2т + 4т К '

Проведено исследование нейронного АЦП на основе СМО с отказами в обслуживании для случая однородных обслуживающих приборов Для указанной модели получено выражение для вероятности отказа в обслуживании

2\Р{т), (11)

;=0 я=л„(г,)+1

где я - число состояний графа СМО, х, - вектор состояния модели;

"сЛ*,) = »-«,„(*,), имн(л)= — соответственно количество свободных

и занятых приборов в состоянии х1

Построены зависимости Ротк =_/(и) для имитационной (ИМ) и аналитической (АМ) моделей. В приложении 4 1 приведен листинг программы имитационного моделирования

Следует отметить, что предложенный путь нахождения вероятностей уже для п> 40 становится чрезвычайно громоздким. Это стимулировало поиск рекуррентных возможностей расчета вероятностей на основе мультипликативных форм представления вероятностей состояний Для разработанной СМО с отказами в обслуживании удалось строго показать, путем доказательства эквивалентности уравнений глобального и детального балансов модели, что стационарные распределения вероятностей состояний имеют мультипликативную форму

Ятах П т-4тт г т!Ст (рР(т))к- М--

5-1 «max I п 1=0 m=qmjn i т/Ст (рР(т)) т ~

а вероятность отказа находится согласно (11) Использование выражений (11), (12) позволяет определить вероятностно-временные характеристики АЦП и объем аппаратурного обеспечения

В приложении 4 2 приведен листинг программы аналитического моделирования Результаты сравнения с ИМ показали хорошие совпадения моделей (расхождение не превышает единицы процента) Для проверки адекватности моделей AM и ИМ использовался статистический критерий Уилкоксона, который показал совпадение результатов моделирования с точностью не хуже 2 %

В заключительной, пятой главе приведена практическая реализация многоканального адаптивного нейронного АЦП, реализующего алгоритм поразрядного кодирования, с применением кодов «золотой пропорции» в составе системы автоматизации испытаний (САИ) авиационных изделий В процессе проектирования, создании и анализе характеристик САИ были успешно апробированы теоретические результаты и положения, изложенные в гл 2-4

САИ авиационных изделий реализована в современном аппаратурном базисе с использованием средств компаний Siemens, HP, Analog Device, Octagon System Система внедрена в опытную эксплуатацию на одном из предприятий г Перми и прошла приемо-сдаточные испытания, подтвердившие высокие функциональные параметры САИ САИ авиационных изделий предназначена для достижения высокой эффективности, сокращения затрат на проведение регулировочных и доводочных испытаний сложных авиационных агрегатов за счет обеспечения сбора, преобразования, обработки, отображения и хранения измерительной информации, а также формирования и выдачи на объект управляющих воздействий САИ реализуется на основе многоуровневой адаптивной информационно-управляющей системы иерархического типа, структура которой приведена в работе

В данной главе дается описание аппаратурного и программного обеспечения системы, дается характеристика специального стенда для ис-

пытания авиационных изделий как объекта автоматизации Применение в системе разработанных методов адаптивного преобразования позволило существенно сократить объем регистрируемой информации (например, для некоторых видов датчиков коэффициент сжатия равнялся 25), обеспечить минимальную погрешность преобразования за счет линеаризации градуи-ровочной характеристики нейронного АЦП в кодах «золотой пропорции», повысить надежность функционирования и отказоустойчивость АЦП, увеличить достоверность измерительной информации в аналоговых каналах

Опытная эксплуатация созданной САИ подтвердила возможность практической реализации и эффективность предложенных вариантов нейронных архитектур АЦП в кодах «золотой пропорции» Реализация многих требований, предъявляемых к САИ, оказалась возможной благодаря использованию в ее составе многоканального адаптивного нейронного АЦП в кодах «золотой пропорции», принципы построения которого разработаны и всесторонне исследованы в диссертации Испытания подтвердили, что основными технико-экономическими преимуществами предложенных МАЦП являются повышение пропускной способности системы, увеличение точности и достоверности измерений, обусловленные индивидуальным подбором разрядности измерительной сети, линеаризацией градуиро-вочной характеристики, а также адаптацией алгоритма функционирования преобразователя к поведению ансамбля входных сигналов. В составе САИ реализованная структура нейронного МАЦП в кодах «золотой пропорции» характеризуется следующими параметрами количество входных каналов -4, диапазон изменения разрядности - 10-16, вероятность отказа в обслуживании - Ртк < Ю-6 при загрузке р = 0,05 Для обеспечения этих параметров рассчитанное по разработанной методике число измерительных нейронов составило 32

В работе также приведены в табличной и графической форме результаты опытной эксплуатации различных вариантов многоканального адаптивного нейронного АЦП в кодах «золотой пропорции» при числе разрядов п = 10, 13 и 16 Сравнительный анализ приведенных градуировочных характеристик, идеальных и реальных (с указанными выше дефектами и вызываемыми ими ошибками) подтвердил теоретические положения о возможности линеаризации градуировочной характеристики измерительного преобразователя при параметрических и константных дефектах Приводятся инженерные рекомендации по применению, выбору и использованию предложенной структуры многоканального адаптивного нейронного АЦП

Заключение содержит следующие основные результаты и выводы

1 На основе функционально-эволюционного системного подхода определен класс адаптивных нейронных АЦП в кодах «золотой пропорции» (с сетевой архитектурой, с улучшенными метрологическими и надежностными характеристиками)

2 Разработаны логические основы построения нейронного АЦП в кодах «золотой пропорции», включающие нейроны и связи При этом в ка-

честве базиса выбран измерительный нейрон, а структурой, объединяющей нейроны, определена нейронная сеть Для алгоритма поразрядного кодирования реализована обобщенная структура АЦП и представлена ее реализация на резистивной матрице ^ — -

3. Показано, что основная проблема при создании надежного многоканального нейронного АЦП в кодах «золотой пропорции» состоит в разработке нейронной сети и способов коммутации нейронов в ней Создана детерминированная регулярная однородная структура сети на топологии моноканала линейного типа.

Проведен сравнительный анализ по функциональным возможностям, аппаратурным затратам и относительной пропускной способности, предложены рекомендации по ее использованию, выполнен анализ корректирующей способности избыточных кодов состояний «золотого» АЦП и доказана отказоустойчивость относительно сбоев и константных дефектов цифровых элементов и параметрических дефектов ЦАП.

Предложен алгоритм построения полного теста для линеаризации АЦП при кратных параметрических дефектах ЦАП

4 Разработаны аналитическая и имитационная модели СМО с изменяющимся режимом (параметрами), в которых участвует неоднородный входной поток заявок, переменное число обслуживающих приборов и переменная интенсивность обслуживания заявки Для разработанной аналитической модели

- доказана эквивалентность уравнений глобального и детального балансов,

- показано, что стационарные распределения вероятностей имеют мультипликативную форму Эти свойства обеспечивают рекуррентность вычислений, ускоряют расчеты и снижают затраты машинного времени на определение вероятностно-временных характеристик;

- получена хорошая сходимость результатов моделирования с использованием аналитической и имитационной моделей относительно статистического критерия Уилкоксона, что доказывает корректность разработанной аналитической модели

5. Разработанная методика расчета оптимального объема оборудования нейронного АЦП в кодах «золотой пропорции», а также принципы построения применены при выполнении научно-исследовательских работ, внедренных и принятых в опытную эксплуатацию Результаты опытной эксплуатации подтвердили основные теоретические положения и предложенные технические решения диссертационной работы

В приложении приведены копии документов, подтверждающих практическое использованием и внедрение результатов диссертации

Основные научные результаты диссертации опубликованы в следующих работах

1 Салтыков А А, Смирнов Д.Н Аналого-цифровой преобразователь поразрядного кодирования с применением кода «золотой пропорции» // Сб науч трудов «Информационные управляющие системы» - Пермь, Перм гос. техн ун-т, 2005 С 144-152

2. Белоусов В В, Смирнов Д H АЦП с применением кодов «золотой пропорции» // Материалы XXXII международной конференции, III международной конференции молодых ученых «Информационные технологии в науке, образовании, телекоммуникации и бизнесе IT + S&E05» — Украина, Крым, Ялта-Гурзуф, май, 2005. - С 133-134.

3 Белоусов В В , Смирнов Д H Многоканальный адаптивный нейронный АЦП в кодах Фибоначчи // Тезисы докладов XXXIII международной конференции, IV международной конференции молодых ученых «Информационные технологии в науке, образовании, телекоммуникации и бизнесе IT + S&E'06» - Украина, Крым, Ялта-Гурзуф, 2006. - С 357

4 Смирнов Д H Многоканальный адаптивный нейронный аналого-цифровой преобразователь в кодах Фибоначчи // Сб науч трудов «Системы мониторинга и управления» - Пермь, ПермГТУ, 2006 С 62-68

5. Смирнов ДН. Анализ измерительных процессов аналого-цифрового преобразования в кодах Фибоначчи // Сб. науч трудов «Системы мониторинга и управления» - Пермь, ПермГТУ, 2006 С 69-78

6 Салтыков А А, Смирнов Д H Проблема избыточного кодирования в АЦП // Сб науч статей Вып XXIII «Методы и средства технической диагностики» - Йошкар-Ола, Map roc ун-т, 2006 С 91-96

7 Смирнов Д H Анализ измерения нейронного АЦП в кодах «золотой пропорции»//ISSN 0013-5771 «Электросвязь», № 8, 2007 С 20-22

Подписано в печать 27 09 07 Формат 60X90/16 Набор компьютерный Тираж 100 экз Объём 1,00уч-изд пл Заказ № 1308/2007

Издательство

Пермского государственного технического университета 614600, г Пермь, Комсомольский пр , 29, к 113 тел (342)219-80-33

Введение.

1. Системы счисления с иррациональным основанием.

1.1. Система счисления Бергмана.

1.1.1. Описание системы счисления.

1.1.2. Способ представления чисел.

1.1.3. Особенности системы счисления.

1.2. Обобщенная система счисления Бергмана.

1.2.1. Описание системы счисления.

1.2.2. Способ представления чисел.

1.2.3. Особенности системы счисления.

1.3. Сравнение систем счисления с иррациональным основанием и двоичной системы счисления

1.4. Выводы.

2. Аналого-цифровой преобразователь поразрядного кодирования в коде «золотой пропорции».

2.1. Применение избыточных кодов в аналого-цифровом преобразовании

2.2. Разработка функциональной схемы АЦП поразрядного кодирования в коде «золотой пропорции».

2.3. Анализ матрицы сопротивлений ЦАП в коде «золотой пропорции»

2.4. Квантование по уровню в АЦП поразрядного кодирования в коде «золотой пропорции».

2.4.1. Определение числа уровней квантования.

2.4.2. Оценка избыточности кода «золотой пропорции».

2.4.3. Величина кванта и погрешность квантования.

2.5. Режимы работы АЦП поразрядного кодирования в коде «золотой пропорции».

2.5.1. Режим исправной работы.

2.5.2. Режим коррекции ошибок.

2.5.3. Анализ возможностей корректирующей способности АЦП в коде «золотой пропорции».

2.5.4. Режим коррекции погрешности линейности

2.5.5. Анализ возможностей коррекции погрешности линейности.

2.6. Способы увеличения корректирующей способности АЦП в коде «золотой пропорции».

2.7. Выводы.

3. Архитектура АЦП поразрядного кодирования в кодах «золотой пропорции» на базе нейронной сети.

3.1. Принципы построения устройств с настраиваемой структурой

3.2. Искусственный нейрон.

3.2.1. Акта вационные функции.

3.3. Нейронные сети.

3.3.1. Однослойные искусственные нейронные сети.

3.3.2. Многослойные искусственные нейронные сети.

3.3.3. Сети с обратными связями.

3.3.4. Особенности нейронных сетей при проектировании аналого-цифровых преобразователей.

3.4. Обобщенная архитектура АЦП поразрядного кодирования в кодах «золотой пропорции».

3.4.1. Структура нейронного преобразователя.

3.4.2. Архитектура «золотого» АЦП с моноканалом линейной структуры

3.5. Анализ аппаратурных затрат на реализацию АЦП на базе моноканала

3.6. Выводы.

4. Разработка методики определения вероятностно-временных характеристик АЦП.

4.1. Нейронный АЦП в кодах «золотой пропорции» как система массового обслуживания.

4.2. Исследование нейронного АЦП в кодах «золотой пропорции» на основе СМО с отказами в обслуживании для случая однородных обслуживающих приборов.

4.3. Условия мультипликативности распределения вероятностей состояний модели СМО с отказами нейронного АЦП в кодах Фибоначчи.

4.4. Выводы.

5. Разработка нейронного АЦП в кодах «золотой пропорции» в составе системы автоматизации испытаний.

5.1. Описание аппаратурного и программного обеспечения системы.

5.1.1. Характеристика объекта автоматизации испытаний.

5.1.2. Назначение системы.

5.1.3. Структура системы.

5.1.4. Функционирование системы.

5.1.5. Результаты опытной эксплуатации САИ.

5.2. Программно-аппаратурная реализация многоканального адаптивного нейронного измерительного устройства в кодах «золотой пропорции»

5.3. Результаты опытной эксплуатации АМНИП.

5.4. Выводы.

Информационные технологии имеют колоссальное и непрерывно возрастающее значение в жизни человечества, охватывая огромный круг задач, связанных главным образом со сбором, переработкой, передачей, хранением, поиском и выдачей информации человеку или машине. При этом особое место в этом ряду занимает измерительная техника, которая предназначена для получения опытным путем количественно определенной информации об объектах материального мира. С увеличением степени сложности создаваемых технических и технологических систем и комплексов значительно увеличивается и усложняется объем обрабатываемой информации и возрастают требования к точности и надежности измерений. Это определяет актуальность создания и совершенствования аналого-цифровых преобразователей (АЦП), предназначенных для измерения параметров сложных динамических объектов и быстротекущих процессов. Широкое распространение и использование в телекоммуникационных и вычислительных системах технических средств, для цифровой передачи данных, речи, аудио- и видеоинформации, цифрового телевидения и т.п. увеличивает интерес к современным системам измерения и преобразования информации, а также значимость указанной проблемы. В этих условиях исследование и разработка новых принципов, алгоритмов преобразования и методов (базисов) проектирования современных АЦП - перспективная и актуальная задача.

Постоянное повышение требований к точности, быстродействию, информативности и другим характеристикам процессов сбора, измерения и обработки информации обусловливает необходимость создания и развития современных систем измерения и преобразования информации. Широкое применение средств цифровой вычислительной техники при построении аналого-цифровых преобразователей (АЦП) ориентировано именно на обеспечение высоких метрологических и эксплуатационных характеристик АЦП. Указанные задачи нашли отражение в работах ведущих отечественных ученых Смолова В.Б., Гитиса Э.И., Новицкого П.В., Цветкова Э.Н. и др.

Современная тенденция развития АЦП и ЦАП состоит в увеличении скоростей и разрешающих способностей обработки сигналов при уменьшении уровня потребляемой мощности и напряжения питания. Современные измерительные преобразователи (ИП) данных в основном работают на напряжениях питания ±5V (двуполярный источник питания), +5V или +3V (однополярный источник питания). Число устройств с напряжением питания +3V быстро увеличивается вследствие появления для них большого числа новых рынков сбыта, таких как цифровые камеры, видеокамеры и телефоны сотовой связи. Эта тенденция создала множество проектных и конструкторских проблем, которым не придавалось значения в разработках более ранних преобразователей, использовавших стандартное напряжение питания ±15V и диапазон изменения входных сигналов ±10V.

Более низкие напряжения питания подразумевают меньшие диапазоны входных напряжений и, следовательно, большую чувствительность к разного вида помехам: шумам от источников питания, некачественным опорным и цифровым сигналам, электромагнитным воздействиям и радиопомехам (EMI/RFI) и, возможно наиболее важный момент - к некачественным методам развязки, заземления и размещения компонентов на многослойной печатной плате или подложке СБИС (ПЛИС). В АЦП с однопо-лярным источником питания диапазон изменения входных сигналов обычно отсчитывается вне связи с «землей». При этом проблема заключается в поиске совместимых усилителей с однополярным питанием для нормализации сигнала на входе АЦП и в осуществлении необходимого сдвига входного сигнала относительно «земли» в приложениях с непосредственной связью.

Несмотря на эти проблемы, в настоящее время доступны компоненты, которые обладают чрезвычайно высокими разрешающими способностями при низких напряжениях питания и малой потребляемой мощности.

Одно из направлений, удовлетворяющих указанным требованиям, состоит в реализации адаптивных АЦП нейронной архитектуры. Данная задача в настоящее время решается на базе использования методов, алгоритмов и структур АЦП широко представленных в работах Авдеева Б.Я., Гаранина И.М., Мановцева А.П., Новоселова О.Н., Переверткина О.М., Прангишвили И.В., Евреинова Э.В., Peterson Н.Р., Estrin G., Койфмана А.А., Южакова А.А. и др. Однако, реализация таких структур осуществляется в обычной «стандартной» двоичной системе счисления. Исследования, проведенные Стаховым А.П., показали, что применение кодов Фибоначчи и кодов «золотой пропорции» позволяют улучшить технические характеристики АЦП. Главным в этом случае является разработка оптимальных архитектур в кодах «золотой пропорции» с применением нейронных сетевых технологий. Эту проблему предлагается решить с помощью объединения новых систем счисления (системы счисления Бергмана), возможностей современной микроэлектронной техники и новых архитектурных решений АЦП, основанных на применении нейронных технологий. В указанной постановке данная проблема рассматривается впервые.

В работе показано, что возможный путь создания АЦП, отвечающих современным требованиям, основан на реализации таких устройств в классе нейронных адаптивных структур на базе кода «золотой пропорции». Учитывая сложность решаемых при проектировании указанного класса АЦП задач, в работе показано, что одной из основных по важности и сложности является разработка методики проектирования, анализа и оценки нейронной измерительной сети.

Поэтому целью настоящего исследования является разработка методики проектирования, расчета оптимального объема адаптивного нейронного АЦП и его сетевой архитектуры, удовлетворяющего заданным требованиям по точности измерений, надежности функционирования и эксплуатационным характеристикам.

В диссертационной работе предлагается отступление от традиционной формы изложения материала, при которой в первой главе дается обзор состояния вопроса. Учитывая специфику проблемы, в первой главе дается анализ системы счисления Бергмана (простой и обобщенный), а в последующих главах рассматривается анализ известных решений АЦП в кодах «золотой пропорции», их достоинства и недостатки, а также предлагаются соответствующие подходы к улучшению характеристик измерительных устрйоств.

Учитывая сформулированные выше проблемы, в работе были поставлены следующие задачи:

- разработать принципы построения и архитектуры адаптивных нейронных АЦП в кодах «золотой пропорции», включающих: структурно-логическую организацию указанного класса АЦП и принципы построения связей нейронов, механизмы построения измерительного нейрона в кодах «золотой пропорции», методы синтеза топологии адаптивного АЦП;

- исследовать процесс квантования в коде «золотой пропорции» и режимы работы АЦП, оценить избыточность кода «золотой пропорции» по отношению к двоичному коду, характеристики процесса исправления и обнаружения ошибок, линеаризацию градуировочной характеристики;

- разработать аналитическую и имитационную модели СМО с изменяющимися параметрами, которые характеризуются неоднородным входным потоком, переменным числом обслуживающих приборов;

- разработать методику оптимизации структуры нейронного АЦП в кодах «золотой пропорции» с заданными точностными характеристиками;

- провести практическую апробацию архитектуры АЦП, методов и моделей проектирования, реализованных на основе предложенных подходов.

Научная новизна работы заключается в:

- реализованных методологических основах классификации адаптивных нейронных АЦП в кодах «золотой пропорции»;

- разработанных принципах построения функционально полных структур адаптивных нейронных АЦП в кодах «золотой пропорции»;

- предложенных методах определения вероятностно-временных характеристик созданных моделей СМО;

- комплексе прикладных результатов синтеза архитектуры, схемных решений АЦП в кодах «золотой пропорции», программных средств, обеспечивающих решение задач расчета технических и метрологических характеристик рассматриваемого класса АЦП. 7

Корректность полученных результатов теоретически обоснована приведенными доказательствами и утверждениями. Адекватность полученных моделей (сходимость не хуже 2 %) доказана на основании использования имитационного моделирования, статических критериев и экспериментальных исследований на примере нейронного АЦП в кодах «золотой пропорции».

Диссертация выполнена в рамках НИОКР «Разработка системы автоматизации испытаний авиационных агрегатов», проведенной ЗАО «ИВС-сети» в течение 2005 года. Разработанная система и измерительный преобразователь внедрены в опытную эксплуатацию в ОАО Г1НППК.

Основное содержание диссертации изложено в 5 печатных работах [12, 13, 27, 41, 46] и докладывалось на ряде региональных, всероссийских и международных конференциях.

Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, списка литературы и приложения.

5.4. Выводы

1. Разработана и внедрена в опытную эксплуатацию многоуровневая система автоматизации испытаний, предназначенная для адаптивного преобразования с заданной точностью, индикации, регистрации и хранения текущих значений параметров авиационных изделий при проведенных регулировочных, приемо-сдаточных и исследовательских испытаний. Опытная эксплуатация подтвердила практическую реализацию и эффективность применения для рассматриваемого класса нейронного измерительного

122 преобразователя методики проектирования и основных теоретических результатов, полученных в настоящей работе.

2. Разработана оригинальная аппаратурно-программная архитектура и внедрен многоканальный нейронный измерительный преобразователь с перестраиваемой структурой. Практическая реализация:

- подтвердила теоретические положения о возможности линеаризации градуировочной характеристики измерительного преобразователя;

- показала, что возможно осуществлять алгоритмы коррекции ошибок и неисправностей измерительного преобразователя.

3. Разработаны инженерные рекомендации по применению, выбору и использованию предложенной архитектуры адаптивного многоканального нейронного измерительного преобразователя.

4. Разработан и реализован комплект программ расчета вероятностно-временных характеристик измерительного преобразователя, результаты моделирования которого подтверждены опытной эксплуатацией последнего.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Рассмотрение особенностей систем счисления нейронных сетевых архитектур АЦП позволило сформулировать системные требования к функциям, свойствам и параметрам нейронных адаптивных АЦП в кодах «золотой пропорции» (обеспечивающие заданные параметры эффективности, точности и надежности) и направленные на достижение максимального соответствия их требуемым схемотехническому и функциональному уровням.

Проведенная классификация систем счисления показала, что для задач построения современных измерительных систем целесообразно использовать систему счисления Бергмана. Проведенное сравнение двоичной системы счисления и системы с иррациональным основанием выявило положительные свойства системы Бергмана - естественную избыточность и легкость представления отрицательных чисел, что обеспечивает возможность контроля и диагностики измерительного устройства.

Анализ представленных тенденций развития АЦП позволил выделить общую черту. Эта особенность состоит в адаптации аппаратуры преобразователя к параллелизму измерительных процедур с перестраиванием оборудования в различные типы архитектур. Такие АЦП являются наиболее гибкими, так как выбор архитектуры адекватен оптимальному алгоритму обработки, т.е. для каждого алгоритма создается своя (оптимальная) архитектура. Среди указанного класса архитектур особое место занимают архитектуры, обладающие способностью настройки на изменения входного потока. Данные АЦП приспосабливаются к изменяющемуся числу заявок и требованиям по точности измерительного потока, выполняя множественные измерительные процедуры на выделенной для этих целей аппаратуре.

Исследования показали, что наиболее интересным является реализация таких АЦП на основе нейронных сетей как автоматов с настраиваемой структурой (АНС). Исследованы основные принципы построения АНС, из которых главными и представляющими наибольший интерес для задач построения АЦП являются: параллельность, переменность и однородность структуры. АНС, построенные на вышеперечисленных принципах, состоят из одинаковых и однотипно соединенных друг с другом универсальных элементов с программным изменением связей между ними.

Рассмотрены и классифицированы логические основы построения АНС. При этом:

- в качестве базиса реализации элементарного автомата выбран нейрон;

- структурой, объединяющей компоненты АЦП, определена нейронная сеть.

Для выбранного базиса реализации АЦП в кодах «золотой пропорции» и алгоритма преобразования (поразрядное кодирование)

- проведен анализ построения структуры преобразователя «код - напряжение» на основе резистивной матрицы, содержащей 3 номинала сопротивлений;

- выполнена классификация базовых структур нейронных сетей на основе топологического принципа.

Большое внимание уделено вопросам создания принципов реализации нейронного АЦП в кодах «золотой пропорции». Показано, что нейронная сеть преобразователя представляет структуру, где каждый нейрон соединяется со всеми нейронами. Базовыми элементами АЦП являются: настраиваемый нейроподобный элемент (нейрон - измерительный элемент), реализующий операцию измерения, перестраиваемая шина, обеспечивающая взаимосвязь нейронов.

В разработанной архитектуре нейронного АЦП в кодах «золотой пропорции» измерительная сеть представляет собой преобразователь «код - напряжение» (ПКН), который реализован на обращенной резистивной матрице Ri - R2 - R3. Для выбранного алгоритма преобразования и типа ПН К разработана микроструктура измерительного нейрона.

Указано, что основная проблема при создании реализуемых нейронных АЦП в кодах «золотой пропорции» состоит в разработке нейронной сети и способов коммутации нейронов в ней. В работе рассмотрена детерминированная регулярная однородная структура нейронной сети на основе топологии моноканала линейного типа.

Предложенная архитектура нейронной сети с моноканалом имеет следующие особенности:

- проведенный сравнительный анализ архитектур по функциональным возможностям, аппаратурным затратам и относительной пропускной способности показал их высокую эффективность;

- выигрыш в аппаратурных затратах по сравнению с классической архитектурой параллельного АЦП наступает уже при числе каналов, равному четырем;

- соотношение аппаратурных затрат практически не зависит от величины максимальной разрядности АЦП в запросах измеряемых сигналов;

- в суммарных аппаратурных затратах на реализацию АЦП существенную роль играют затраты на дополнительную аппаратуру нейрона; и недостатки:

- дополнительные затраты АЦП с моноканалом линейно зависят от числа входных каналов преобразователя;

- структура нейрона также зависит от числа входных каналов, что означает необходимость разработки конкретного нейрона под заданную реализацию.

В работе обосновывается, что одной из важных задач в процессе расчета АЦП является задача определения вероятностно-временных характеристик преобразователя на основе теории систем массового обслуживания. Показано, что с позиций СМО модели нейронного АЦП в кодах «золотой пропорции» относятся к классу СМО с изменяющимся режимом (параметрами). Отмечено, что основными параметрами, характеризующими изменяющийся режим, являются: неоднородный входной поток, переменное число обслуживающих приборов и интенсивность обслуживающих приборов.

В выбранном классе СМО с изменяющимся режимом

- получено доказательство эквивалентности уравнений глобального и детального балансов для СМО с отказами в обслуживании, которое достоверно определяет конструктивный критерий, обеспечивающий на практике снижение размерности вычислений;

- удалось показать, что их стационарные распределения вероятностей имеют мультипликативную форму, которая обеспечивает рекуррентность вычислений, ускоряет расчеты и снижает затраты машинного времени на вычисление вероятностно-временных характеристик.

Все созданные модели иллюстрируются численными примерами.

Разработанные методика расчета оптимального объема оборудования и структура нейронного АЦП в кодах «золотой пропорции» апробированы при реализации систем автоматизации испытаний, внедренной в ОАО ПНППК.

В диссертационной работе получены следующие научные результаты:

1. На основе функционально-эволюционного системного подхода определен новый класс адаптивных нейронных АЦП в кодах «золотой пропорции». Реализация этих принципов обеспечивает рост и улучшение характеристик АЦП.

2. Разработаны логические основы построения нейронного АЦП в кодах «золотой пропорции», основными принципами которых являются: классификация структур, структурные и схемные решения АЦП. Отмечено, что особое место в создании нейронного АЦП в кодах «золотой пропорции» представляет реализация многоканальных, адаптивных преобразователей на основе нейронных сетей. При этом в качестве базиса выбран измерительный нейрон, а структурой, объединяющей нейроны, определена нейронная сеть. Для алгоритма поразрядного кодирования реализована обобщенная структура АЦП и представлена ее реализация на резистивной матрице R] - R2 - R3.

3. Показано, что основная проблема при создании нейронного АЦП в кодах «золотой пропорции» состоит в разработке нейронной сети и способов коммутации нейронов в ней. Созданная детерминированная регулярная однородная структура сети на топологии моноканала линейного типа.

126

Для разработанной архитектуры нейронного АЦП в кодах «золотой пропорции» проведен сравнительный анализ по функциональным возможностям, аппаратурным затратам и относительной пропускной способности, предложены рекомендации по ее использованию.

Для адаптивного, многоканального нейронного АЦП в кодах «золотой пропорции» разработаны аналитическая и имитационная модели СМО с изменяющимся режимом (параметрами), в которых участвует неоднородный входной поток заявок, переменное число обслуживающих приборов и переменная интенсивность обслуживания заявки. Для разработанной аналитической модели:

- доказана эквивалентность уравнений глобального и детального балансов;

- показано, что стационарные распределения вероятностей имеют мультипликативную форму. Эти свойства обеспечивают рекуррентность вычислений, ускоряют расчеты и снижают затраты машинного времени на определение вероятностно-временных характеристик;

- получена хорошая сходимость результатов моделирования с использованием аналитической и имитационной моделей относительно статистического критерия Уилкоксона, что доказывает корректность разработанной аналитической модели.

5. Разработанная методика расчета оптимального оборудования нейронного АЦП в коде «золотой пропорции», а также принципы построения применены при выполнении научно-исследовательских работ, внедренных и принятых в опытную эксплуатацию. Результаты опытной эксплуатации подтвердили основные теоретические положения и предложенные технические решения диссертационной работы.

1. Стахов А.П. Коды золотой пропорции. М.: Радио и связь, 1984,151 с.

2. P. Monteiro, R. Newcomb. Minimal and maximal Fibonacci Representations: Boolean Generation // Jhe Fibonacci Quarterly, 1976, V.14, № 1.

3. Ф. Селлерс. Методы обнаружения ошибок в работе ЭЦВМ. М.: Мир, 1972.310 с.4. http://www.goldenmuseum.com Музей Гармонии и Золотого Сечения.5. http://mashavph.narod.ru/l/class.htm Классификация систем счисления.

4. Стахов А.П. Коды «золотой пропорции». М.: Радио и связь, 1984.151 с.

5. Гельман М.М. Аналого-цифровые преобразователи для информационно-измерительных систем. М.: Изд-во стандарты, 1989. - 320 с.

6. Стахов А.П. Перспективы применения систем счисления с иррациональными основаниями в технике аналого-цифрового преобразования // Измерение, контроль, автоматизация. 1981, № 6. С. 3-9.

7. Моисеев B.C. Системное проектирование преобразователей информации. Л.: Машиностроение, 1982. - 255 с.

8. Методы введения избыточности для вычислительных систем. Под ред. B.C. Пугачева. М.: Сов. радио, 1966. - 456 с.

9. Шастова Г.А. Кодирование и помехоустойчивость передачи телемеханической информации. М.: Мир, 1966. - 454 с.

10. Салтыков А.А., Смирнов Д.Н. Аналого-цифровой преобразователь поразрядного кодирования с применением кода «золотой пропорции» // Сб. науч. трудов «Информационные управляющие системы». Пермь, Перм. гос. техн. ун-т, 2005. С 144-152.

11. Журавлев И.П., Котелюк Л.А., Циклинский Н.И. Надежность и контроль ЭВМ. М.: Сов. радио, 1978. - 416 с.

12. Половко A.M. Основы теории надежности. М.: Наука, 1984.446 с.

13. Францис Т.А., Янбых Г.Ф. Избыточность в электронных устройствах. М.: Энергия, 1969. - 248 с.

14. Кикосита К., Асада К., Карацу О. Логическое проектирование СБИС. М.: Мир, 1988. - 308 с.

15. Гитис Э.И., Пискунов Е.А. Аналого-цифровые преобразователи. -М.: Энегоиздат, 1981.-360 с.

16. Бромберг Э.И., Куликовский K.JI. Тестовые методы повышения точности измерений. М.: Энергия, 1978. - 176 с.

17. Лазарев В.Г., Пийль Е.Н. Синтез асинхронных* конечных автоматов. -М.: Наука, 1964. 320 с.

18. Глушков В.М. Синтез цифровых автоматов. М.: Физматгиз, 1962.-210 с.

19. Якубайтис Э.А. Асинхронные логические автоматы. Рига: Зи-натнс, 1996. - 158 с.

20. Евреинов Э.В., Косарев Ю.Г. Одноразрядные универсальные вычислительные системы высокой производительности. -М.: Наука, 1966. -110 с.

21. Евреинов Э.В., Прингашвили И.В. Цифровые автоматы с настраиваемой структурой (однородные среды). М.: Энергия, 1974. - 240 с.

22. Мкртчян С.О. Нейроны и нейронные сети (Введение в теорию нейронов и нейронных сетей). -М.: Энергия, 1971. 232 с.

23. Мак-Каллок У. Надежность биологических систем. Самоорганизующиеся системы: Пер. с англ. М.: Мир, 1964.

24. Южаков А.А. Интеллектуальные измерительные преобразователи на основе нейронных технологий. Пермь: Перм. гос. техн. ун-т, 1997. -68 с.

25. Артюх Ю.Н., Беспально В.А., Загурский В.Я., Якубайтис Э.А. Скоростные измерительные субсистемы. Рига: Зинатне, 1980. - 184 с.

26. Объектовые шины передачи данных // Экспресс-информация, серия «Приборы и элементы автоматики и вычислительной техники», 1989, №35.-С. 10-18.

27. Девис Д., Барбер Д., Прайс У., Соломонидес С. Вычислительные сети и сетевые протоколы. М.: Мир, 1992. - 562 с.

28. Преснухин J1.H., Нестеров П.В. Цифровые вычислительные машины. М.: Высшая школа, 1974. - 415 с.

29. Анисимов Б.В., Соломатин Н.М. Основы расчета и проектирования элементов ЦВМ. М.: Высшая школа, 1974. - 464 с.

30. Южаков А.А. Вопросы анализа аналого-цифровых преобразователей на основе систем массового обслуживания, функционирующих в случайной среде. Пермь, Перм. гос. техн. ун-т, 1997. 52 с.

31. Назаров А.А., Нулик М.М., Южаков А.А. Анализ математической модели адаптивной терминальной измерительной системы // Автоматика и телемеханика, 1993. № 11.-С. 108-119.

32. Матушкин Н.Н., Меркушев А.Г., Южаков А.А. Анализ обслуживания смешанного трафика в подсистемах коммутации каналов и пакетов // Тезисы докладов XVI Всесоюзной школы-семинар по вычислительным сетям. М.-Винница, 1991. Ч. 3. - С. 55-59.

33. Матушкин Н.Н., Южаков А.А. Выбор объема буферной памяти центра коммутации пакетов // Тезисы докладов XIV Всесоюзной школы-семинар по вычислительным сетям. М.-Минск, 1989. Ч. 3. - С. 69-74.

34. Башарин Г.П., Куренков Б.Е., Чумаев А.В. Анализ обслуживания смешанного трафика в подсистеме каналов ЦСКО // Тезисы докладов XV Всесоюзной школы-семинар по вычислительным сетям. M.-JL, 1990. Ч. 3.-С. 9-13.

35. Бронштейн И.Н., Семендяев К.А. Справочник по математике. -М.: Наука, 1986.-544 с.

36. Назаров А.А., Южаков А.А. Критерий эквивалентности уравнений глобального и детального балансов для цепей Маркова // Автоматика и телемеханика, 1995. № 12. С. 71-78.

37. Смирнов Д.Н. Анализ измерительных процессов аналого-цифрового преобразования в кодах Фибоначчи // Сб. науч. трудов «Системы мониторинга и управления». Пермь, ПемГТУ, 2006. С. 69-78.

38. Вентцель Е.С., Овчаров Л.А. Теория случайных процессов и ее инженерные приложения. М.: Наука, 1991. - 389 с.

39. Н.Н. Матушкин. Анализ и синтез структур адаптивных преобразователей // Перм. гос. техн. ун-т. Пермь, 1997. 47 с.

40. Авдеев Б.Я., Антонюк Е.М., Долинов С.Н. и др. Адаптивные телеизмерительные системы // Л.: Энергоиздат, 1981.- 248 с.

41. Авдеев Б.Я., Белоусов В.В., Брусаков И.Ю. и др. Цифровые адаптивные информационно-измерительные системы. // С-Пб.: Энергоатомиз-дат, 1997.-368 с.

42. Смирнов Д.Н. Многоканальный адаптивный нейронный аналого-цифровой преобразователь в кодах Фибоначчи // Сб. науч. трудов «Системы мониторинга и управления». Пермь, ПемГТУ, 2006. С. 62 - 68.

43. Салтыков А.А., Смирнов Д.Н. Проблема избыточного кодирования в АЦП // Сб. науч. статей. Вып. XXIII «Методы и средства технической диагностики». Йошкар-Ола, Map. гос. ун-т, 2006. С 91-96.

44. В.Г. Лазарев, Н.П. Маркин, Ю.В. Лазарев. Проектирование дискретных устройств автоматики // М.: Радио и связь, 1985. 168 с.

45. Смирнов Д.Н. Анализ измерения нейронного АЦП в кодах «золотой пропорции» // ISSN 0013-5771. «Электросвязь», № 8, 2007. С 20-22.