автореферат диссертации по приборостроению, метрологии и информационно-измерительным приборам и системам, 05.11.16, диссертация на тему:Методы и средства построения распределенных измерительных систем с совмещенной передачей информации и энергии по информационным каналам

РГБ ОД

I 4 СЕИ 1995

На правах рукописи

ЧЬЕ ЕН УН

' МЕТОДЫ И СРЕДСТВА. ПОСТРОЕНИЯ РАСПРЕДЕЛЕННЫХ ИЗМЕРИТЕЛЬНЫХ СИСТЕМ С СОВМЕЩЕННОЙ ПЕРЕДАЧЕЙ ИНФОРМАЦИИ И ЭНЕРГИИ ПО ИНФОРМАЦИОННЫМ КАНАЛАМ

Специальности; 05.11.16 - Информационно-измерительные системы

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук

Санкт-Петербург - 1995

Работа выполнена в Санкт-Петербургском государственном электротехническом университете им. В.И.Ульянова (Ленина).

Научный консультант - доктор технических наук, профессор Чернявский Е.А.

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор Кондрашкова Г.А. доктор технических наук, профессор Тартаковский Д.Ф. доктор технических наук, профессор Угрюмов Е.П.

Ведущая организация - Научно-исследовательский институт электроизмерительных приборов

Защита 1995 г. в ^^ час. на заседании

диссертационного совета Д 063.36.02 Санкт-Петербургского государственного электротехнического университета по адресу: 197376, Санкт-Петербург, ул. проф. Попова, 5

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке университета

Автореферат разослан " -¿У " 1995 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета Исаков А.Б.

- 1 -

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы. Развитие микроэлектроники, методов и средств передачи и обработки информации создают предпосылки для совершенствования системотехнических принципов организации информационно-измерительных систем (ИИС). К важнейшим особенностям развития современных ИИС следует отнести переход от централизованной структуры к распределенной, расширение требований к функциональным возможностям и широкое использование микроэлектронных средств обработки измерительных сигналов с различной степенью интеграции схемных и системных функций.

Многообразие возможных способов организации связи между пространственно распределенными датчиками, исполнительными устройствами и средствами обработки информации диктуют необходимость совершенствования системотехнических принципов организации ИИС с распределенной Структурой (РИИС), важнейшей особенностью которых является наличие цифровых каналов передачи измерительной и управляющей информации. Начиная со второй половины 80-х годов, за рубежом формировалось научно-техническое направление по разработке и стандартизации распределенных систем сбора информации и управления для низовых звеньев, автоматизации на основе последовательных мультиплекских моноканалов (ШК) обмена информацией (по зарубежной терминологии "последовательные полевые магистральные шины ввода-вывода информации"), получившее название ПЕЮВЦЗ. Направление ПЕИ)В1Б развивается в рамках концептуальной модели интегрированных систем автоматизации на основе эталонной модели "Взаимосвязи открытых систем" (ВОС). Среди двух классов (Н1 и Н2) -систем ПЕШЗЦЗ следует выделить системы класса Н1, представляющие собой РИИС и создаваемые для организации связи с удаленными датчиками и исполнительными устройствами (на расстоянии до 1900 м) на основе ШК с совмещенной передачей данных и энергии питания (ШК-СЦЦЭ) по двухпроводным физическим линиям типа "витая пара".

За рубежом как отдельными фирмами, так и объединениями фирм предприняты значительные усилия по созданию систем, отвечающих требованиям проекта ПЕШЗЦЗ, яа основе ШК-СПДЭ, Среди анонсированных проектов систем ПШЗВЦЗ следует выделить системы ШИЕСА (совместный проект 14 крупных компаний 6 стран Западной

Европы), Profibus (совшстный проект 19 фирм, объединяемых ассоциацией электронной промышленности ФРГ ZEVI), разрабатываемой в рамках национального проекта ФРГ "FeIdus" и ASI (проект консорциума немецких и швейцарских фирм). На актуальность и сложность проблем, связанных с созданием систем класса HI, отличительной особенностью которых является требование передачи питания по последовательной шине данных, указывает то, что проекты таких систем разрабатываются крупными объединениями фирм при значительной финансовой поддержке.

Б настоящее время работы по стандартизации систем FIELDBUS проводит МЗК (рабочая груша SC65C WG6), Инструментальное общество Америки ISA (комитет SP50) и Jemina (Япония). Комитетом SP50 ISA в настоящее время сформулированы требования к характеристикам будущих систем двух классов сложности - HI и Н2.

Проблема создания РШС с ШК-СЗДЭ включает ряд аспектов, затрагиватаяюс методы организации обмена, принципы построения ка-налообразугших средств, аппаратное и алгоритмическое обеспечение задач измерения и др., среди которых наиболее вакнши являются аспекты, связанные с постановкой и решением следующих задач. Первая - разработка к исследование методов организация двухстороннего обмена с совмецзняой передачей данных и энергии питаши по двухпроводным 1ШК. Вторая - разработка принципов организации протоколов физического и канального уровня и каналообразрчцих средстЕ для LüK-СЦЦЗ. Третья - развитие методов повышения помехоустойчивости, производительности и точности РИИС на основе ШК-СЦДЭ. Интерес к проблеме создания распределенных измерительных и управлявших систем с ШК-СЦЦЭ подтверждается большим количеством публикаций, особенно, в зарубежной научно-технической литературе.

Результаты исследований, приведенные в диссертационной работе, получены в ходе выполнения ряда хоздоговорных к госбюджетных НИР по созданию систем измерения и контроля различного назначения, выполненных под руководством и при непосредственном участии автора. Указанные КНР выполнялись по отраслевой программе ЫЭТП СССР "Автоматизация" (1978-1980 г.г.), межвузовской программе "Шельф" (1985-1S90 г.г.), программе НИР мзкведомствэн-ного совета по координации ДВВД АН СССР "Глубинное строение Дальнего Востока" (1S85-1Q91 г.г.), программе НИР Головного совета ЫВ и ССО PCSCP 'Теология и разведка. полезных ископаемых"

(1989-1991), программам. НИР ГК РФ по высшему образованию, финансируемых по единому заказ-наряду (1992-1995).

Цель работы - развитие методов и средств реализации РИИС на базе ШХ-СПДЗ с централизованным управлением обменом, отвечающих требованиям на системы ПЕШЗиБ класса Н1, на основе решения ДЕух групп задач. Задачи первой группы связаны с разработкой и исследованием методов и средств построения каналов с совмещенной передачей измерительной информации и энергии питания по двухпроводным линиям:

- исследование и разработка методов организации МЫК-СЦЦЭ, базирующихся на использовании энергии информационного -сигнала для дистанционного питания и многосимвольного алфавита для информационного обмена;

- анализ и разработка принципов организации физического и канального уровней протоколов обмена и специализированных кана-лообраэующих средств для ШК-СЦЦЭ;

- исследование информационных и энергетических характеристик ММК-СПДЭ с различной топологией.

Задачи-второй группы связаны с развитием методов и средств обеспечения задач измерения в распределенных измерительных системах:

- развитие методов и средств распределенной обработки измерительных сигналов в ОУ на основе структур аналого-цифрового измерительно-вычислительного и функционального преобразования, обеспечивающие функционально полный набор операций для вычислительной обработки сигналов в измерительных каналах ОУ с целью расширения функциональных -возможностей, повышения точности и производительности РИИС;

- развитие и исследование структурных и структурно-алгоритмических меюдов повышения точности измерительных преобразователей и каналов для ОУ;

- создание и внедрение специализированных ИИС и их элементов для решения ряда задач контроля,, испытаний и управления в промышленности п научных исследований.

Методы исследования. Результаты исследований базируются на на использовании теории передачи информации, электрических цепей, вычислительных устройств и систем, цифровых автоматов, численных методов, статистической теории связи, алгоритмической теории измерений, а также на накопленных к настоящему времени опы-

те и результатах в области проектирования ИИС. Ряд результатов работы получен на базе математического моделирования и экспериментальных исследований.

Научная иопвзпа - состоит в разргЗотка мзтодов и средств для посгроенш РШЗ на осеоеэ Шй1-(ШДЭ, реализуемых с применением нового подхода, ваигзчсзнзэгося в ксЕОЕЬБОвании энергии информационного сигнала дея дистанционной' передачи энергии и многосимвольного алфавита для информационного обмена.

Основные научные результаты, выдвигаемые на залдату, состоят в следующем:

1. Предложен и исследован ыетад организации мультиплексных измерительных каналов с созцзеэпкой передачей данных и энергии питания по двухпроводным линиям, баз1фуЕЩИйся на использовании:

- энергии информационного сигнала для дистанционного питания ОУ;

- активной прямой передачи на основе многоуровневой манипуляции информационных сигналов и пассивной обратной передачи с токовыми сигналами;

- многосимвольного алфавита для информационного обмена.

2. Создана математическая модель электромагнитных процессов в ММК-СПДЭ, позволяющая исследовать путем малинного моделирования влияние параметров сйгевеов, канала а его топологии на информационные и энергетические характеристики обмена;

3. Исследовано влияние электромагнитных -процессов в ММК-СПДЭ и режимов согласования линий связи на основные информационные и энергетические характеристики обмена и выработаны рекомендации но организации протоколов и канапообразующих средств;

4. Выполнен анализ помехоустойчивости ШН-СЭДЗ при различных методах приема в рекимах прямой и обратной передач и получены основные расчетные соотношения для оценки вероятности ошибки при приеме элементов сообщений в зависимости от отношения сигнал/шум и когффщнентов подавления помех в канале;

5. Разработаны физический и канальный уровни протоколов обмена в М1К-СПДЗ с многосимвольным алфавитом для информационного обмена, принципы построения и алгоритма функционирования . контроллеров какала и оконечных устройств при различных способах адресации и организации дисциплин обслуживания;

4. Обобщены принципы построения и применения аналого-цифровых измерительно-вычислительных преобразователей для построения

измерительных каналов 07, выделены базовые структуры,.реализующие функционально полный набор вычислительных преобразований над измерительными сигналами;

5. Разработаны принципы построения и методы синтеза аналого-цифровых функциональных преобразователей для нелинейной обработки измерительных сигналов в ОУ на базе структур, обеспечивающих высокую степень унификации элементной базы и микроэлектронную реализацию. Предложен и обоснован метод аппроксимации дробными степенями для решения задач синтеза функциональных преобразователей с низкой чувствительностью к. погрешности воспроизведения весовых коэффициентов;

6. Развиты и исследованы структурные и структурно-алгоритмические способы компенсации и коррекции погрешностей в ИП и измерительных каналах ОУ. Разработаны способы и специализированные ИП для измерения ряда технологических параметров (напряжений, токов, энергии, сопротивления, температуры, давления, силы и лр.)

Практическая ценность. Полученные в работе результаты создают научные и технические предпосылки для создания РИИС с широкими функциональными вээмсвшостями и высокими технико-эксплуатационными характеристиками и леглк з основу ряда практических разработок. Численные модели, алгоритмы расчетов и функционирования, аналитические соотношения, расчетные и экспериментальные зависимости, приведенные в работе, представляют собой основу для инженерных методик проектирования РОТС с ШК-СЦЩЭ и их отдельных элементов.

Практические реэулмгатн заключаются в том, что основные теоретические полсчшття лопедены до гсонкреидах практических реализаций в виде структурных, футщианальЕЫх и схемотехнических ре-тений, инженерных мотодол аигитпа и проектирования, рекомендаций и комплексов программное средств.

Достоверность результатоп исследований подтверждена экспериментальными исследованиями и исгатапюши аппаратных средств (канатобразующих средств, кгмерителгвдх преобразоютедей, приборов, систем и комплексов), реали?ов;шзнх с использованием рзз-риваемчх в работе теоретичеегшх столожешй, методов, принципов к способов. Большинство предложенных в р-^оте технических решеккй доведено до практических раграбогок1 внедренных в ряде организаций.

- б -

Внедрение результатов. Результаты исследований получены в ходе выполнения ряда хоздоговорных и госбюджетных НИР, выполненных под руководством и при непосредственном участии автора, по заказам промышленных предприятий и научных организаций.

Разработанные методы и средства (измерительно-вычислительные средства, комплексы, системы и приборы) внедрены на предприятиях и в организациях г.Ленинграда - ЕНИИЭСО, ЦКТБО МЗП СССР; г.Тольятти - ПО "АвтоВАЗ"; г.Хабаровска - ИТиГ ДВО АН СССР, НПО "Дальстандарт", НПК "ТУКУР"; г. Магадана - ТП "Спецмонтажналад-ка", что подтверждено соответствующими документами. К наиболее значительным внедренным разработкам, выполненным под руководством и при непосредственном участии автора относятся:

- система контроля качества сварки (АС NN 764895, 829369) -внедрена во ЕНИИЭСО в 1979 г.;

- система автоматического контроля и управления сварочными процессами (АС N 852475) - ЕНИИЭСО (1980) и ЦКБТО МЗП СССР (1980);

- система обработки сигналов для лазерных измерителей сверхмалых перемещений (АС NN 1088008, 1088009, 1260682) - НПО "Дальстандарт" (1983);

- прибор для измерения сварочного тока (АС N 742073) - ПО "АвтоВАЗ" (1983);

- комплекс многофункциональных аналого-цифровых устройств для обработки геофизической информации (АС N 1320819) - ИТиГ ДВО АН СССР (1987-1988);

- аппаратно-программный комплекс для геофизических исследований методом UT3 - ИТиГ ДВО АН СССР (1991);

- автоматизированная система испытании изделий на электрическую прочность - НПО "Дальстандарт" (1991);

- система контроля температуры в сушильных камерах - ТП "Спецмонтажналадка" (1991) и ряд других.

Научные положения, выводы и рекомендации, а также практические разработки использованы при подготовке и чтении курсов "Управляющие вычислительные машины и микропроцессоры", "Электроника и микросхемотехника" и "Аналоговые и гибридные ^ВМ" для студентов специальностей "Автоматика и управление в технических системах" и "Вычислительные машины и системы", а также в курсовом и дипломном проектировании в Хабаровском государственном техническом университете.

Апробация работы. Основные научные и практические результаты исследований по теме диссертации докладывались и ббсуждались на ВНТС "Применение микропроцессорных вычислительных систем для управления технологическими процессами" (Смоленск, 1979 г.), межвузовской НТК "Разработка и моделирование в технических и социально-экономических проблемах освоения океана" (Владивосток, 1985 г.), I-III Дальневостсчной НПК "Совершенствование электрооборудования и средств автоматизации технологических процессов промышленных предприятий" (Комсомольск-на-Амуре, 1986, 19Э9, 1992 г.г.), НТС "Применение микропроцессоров, микро- и персональных ЭВМ" (Миасс, 1990), международных симпозиумах "The Actual Problems of The Scientific and Technological Progress of The Far Eastern Region The Base of Söviet Union-China Dir&ct Cooperation" (Хабаровск, 1991 г.), "The Second International Simposium on Promotion of Scientific and Technological Progress in The Far East" (Harbin, PRO, 1992 г.), "The Actual Problems of The Scientific and Technological Progress of The Far Eastern Region" (Хабаровск, 1993 г.), а также на НТК ЛЭТИ и ХПЙ.

Материалы исследований и разработки обсуждались на научно-технических советах и семинарах ЕНИИЭСО, ЦНИИТС, ВНИИФТИ, ИТ и Г ДВО АН СССР, МИНиГ, НПО "Дальстандарт", ХГТУ, НИИКТ, СПбГЭТУ и в ряде других организаций.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 75' работ, включая 2 монографии, 4D статей, 1 учебное пособие и 10 авторских свидетельств.

Структура и объем работы. Работа состоит из введения, 8 глав, заключения, списка литературы из 214 наименований и приложения. Основная часть работы изложена на 249 страницах машинописного текста. Работа содержит 124 рисунка, 9 таблиц и 3 приложения.

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во зведении обоснована актуальность темы, сформулированы цель, основные задачи исследовании и положения, выносимые на защиту.

В первой главе производится анализ состояния и тенденций развития структур распределенных ИИС и управляющих систем и их роли и места в современных интегрированных системах автоматиза-

ции как производственных, так и непроизводственных сфер. Показано, что к настоящему времени за рубежом наметилась явно выраженная тенденция развития в рамках модели BOG сетевых систем и протоколов следующих основных иерархических уровней: FDDI (Fiber Distributed Data Interface) - межсетевой протокол; TOP (Technical and Office Protocol) - протокол учрежденческой сети; MAP (Manufacturing Automation Protocol) - протокол производственной сети и mlnl-MAP - упрощенный протокол MAP; FIELDBUS протокол нижнего уровня, обеспечивающий взаимодействие систем обработки данных с пространственно распределенными датчиками и исполнительными устройствами.

Отличие сетевых систем FIELDBUS от систем более высоких уровней состоит прежде всего в особенности информационных потоков, обусловленных передачей измерительной информации от датчиков и управляющей информации к исполнительным устройствами. Эта особенность в совокупности с основной измерительной функцией системы приводит к тому, что подобные система по выполняемым функциям (измерение,, сбор, регистрация, обработка, хранение и передача измерительной и управлявшей информации) и характеру информационных потоков в каналах обмена ближе к РЖС, нежели к локальны;.! вычислительным сетям (ЛВС), в которых преобладает меж- ' машинный обмен.

В работе приводится анализ наиболее известных проектов систем класса FIELDBUS: SJRECA, Proflbus, ASI, ISI-bus и др. Требование по дистанционной передаче энергии питания по шине данных является одним из основных требований на системы FIELDBUS класса HI. К настоящему времени из-эа недостаточной исследованносги вопросов организации таких каналов передачи отсутствует стандартизация физического уровня систем. Так, например, в проектах EURECA и ASI передача энергии питания предусматривается на постоянном токе, а в системе ISI-bus реализована передача на переменном токе, способ передачи энергии питания существенно влияет не только на характеристики физического уровня (информационные и энергетические характеристики, сложность реализации каналообра-зугацих средств), на и на характеристики канального уровня (протоколы обмена, форматы сообщений, режим обмена, время реакции и ДР.) •

На основе анализа структур, протоколов и характеристик, принятых в проектах систем FIELDBUS класса HI, сформулирована

концептуальная модель РШС с ММК-СПДЭ. В большинстве цроектируе-ш систем используется многоточечная схема подключения датчиков и исполнительных устройств на сх:нове ММК. В таких системах используется единый канал для передачи данных от датчиков и управляющей информации к исполнительным устройствам, т.е. по существу в этих системах интегрируются функции измерения и управления. Для подобных систем, работающих в реальном масштабе времени, требуется комплексное выполнение требовании как для измерительной, так и для управляющей подсистем. Для повышения быстродействия и упрощения аппаратно-программных средств системы ИЕЦ}В1Б реализуются по трехуровневой модели БОС: физический, канальный и прикладной уровни. Причем, для решения задач измерения и управления наиболее важно выполнение функции и реализация двух нижних уровней. Отображение архитектуры РИИС на функции, выполняемые на разных уровнях, целесообразно производить в терминах принятых для ЛВС. Однако, при этом показано, что прямое перенесение принципов построения ЛВС для РИИС нецелесообразно, по ряду причин. Специфика большинства РШС, как и распределенных систем управления состоит в том, что удаленные устройства представляют в большинстве случаев простейшие датчики и исполнительные устройства. Непосредственное их подключение к ЛВС через сетевое станционное оборудование экономически неоправдано из-за значительной аппаратно-программной избыточности. Массивы передаваемой информации в обеих направлениях в РИИС значительно уступают массивам, передаваемым в ЛВС, и имеют специфические особенности. Основной объем данных передается от датчиков, а управляющая информация передается к исполнительным устройствам. Принцип централизованного управления обменом более предпочтителен для РИИС ввиду того, что в большинстве измерительных - задач заранее определены адреса, время обмена и объемы передаваемой информации.

Анализ проектов систем ПЕЮВиЭ класса Н1 показывает ряд отличительных особенностей от ЛВС и систем класса Н2, которые в значительной степени продиктованы требованиями экономической эффективности и дистанционной передачи питания:

- применение дешевой среды передачи (витой пары) и использование относительна низких скоростей обмена;

- передача информации производится преимущественно в основной полосе частот, что позволяет упростить каналообрезующие средства;

- применение архитектур с централизованна,! управлением обменом для снижения временных затрат на поддержание протоколов;

- упрощение протоколов обмена на физическом и канальном уровнях и ограничение числа высокоуровневых команд удаленного доступа и управления на пользовательском уровне.

Требование по дистанционной передаче питания к датчикам предъявляет существенные ограничения по потребляемой мощности к удаленным устройствам, подключенным к каналу. Причем из характеристик заложенных в проектах следует, что суммарная мощность питания не превышает 3,2 Вт в системе Еигеса и 2,4 Вт в системе ISI-bus. Ограничение по потребляемой мощности требует упрощения системотехнической организации периферийных станций, включая и беспроцессорные варианты организации. В этом случае вместо термина "станция", позаимствованного из терминологии по ЛВС, более целесообразно удаленные, устройства, подключаемые к каналу, называть "оконечными устройствами" (ОУ), тем более что этот термин закреплен в отечественном ГОСТ 26765.52-87 на магистральный последовательный интерфейс. .

В работе производится классификация и анализ достоинств и недостатков способов дистанционной передачи энергии питания по двухпроводным информационным.каналам и способов совмещенной передачи данных и энергии питания. В качестве осноекых классификационных признаков при атом были приняты: род тока при передаче энергии питания (постоянный, импульсный и переменный), способ разделения информационных и питающих сигналов (частотный, временной и без разделения) и способ передачи в обратном направлении (активный за счет возврата запасенной энергии и пассивный за счет энергии в линии). Анализируются, реализуемые в зарубежных проектах, и возможные, варианты • построения ШК-СЦЦЭ в РЖС с централизованным и децентрализованным управлением обменом.

Во второй главе излагается, развиваемый в работе, подход к организации ШК-СПДЭ с дуплексным режимом обмена по двухпроводным линиям, основанный на:

- совмещенной передаче информации и энергии питания по линии связи без разделения, т.е. энергия информационного'•сигнала используется для питания ОУ;

- передаче в прямом направлении с использованием сигналов с многоуровневой манипуляцией напряжения;

- кодирования передаваемой информации с использованием мно-

г ¿^символьного алфавита;

- пассивной передаче информации в обратном направлении в виде токовых посылок.

Структурная схема канала обмена показана-на рис.1 и содержит контроллер капала КК, который подкЕВчаегся к двухпроводной линии через устройство сопряжения с каналом УСК, и оконечные устройства ОУ1,..., подключенные к двухпроводной линия. Под ОУ понимаются пространственно; удаленные от ЗШ устройства, содержащее датчики и исполнительные устройства, и способные вести двусторонний обмен с КК. На КК возлагается функции поддержки протокола канального уровня и обмена с системами верхнего уровня иерархии:

.1.

Кодирование' передачи данных от КК к ОУ осуществляется комбинацией уровней и перепадов напряжения (р*1с.2>. При этом перепада напряжения используются для синхронизации обмена, а энергия информационного сигнала для питания (X/. Передача данных от ОУ к КК производится путем изменения уровней и перепадов тока в линии, вызываемых передающим ОУ.

и(1)

г/1

иг

О

-г/г -У1

С1

С1

I I

~> t

Н тг Тэ ; 74 , <—> 1 <—> I <—>|<—>|

_Тс_,

<->

Рис.2.

Основным требованием к форме сигнала прямой передачи является отсутствие постоянной составляющей, что необходимо для осуществления гальванической развязки ОУ от линии посредством развязывающих трансформаторов. Кроме того, выбранная форма напряжения должна обеспечивать надежную синхронизацию обмена, кодирование данных, команд и служебной информации, а также передачу и управление передачей энергии по линии к ОУ.

Рассмотрено два способа кодирования информации при передаче в прямом направлении: двоичное и символьное (недвоичное). Формирование сигнала при передаче информации в прямом направлении производится с использованием пяти уровней напряжения и1, 4% , О, -и\ и -иг. На рис.2 показана диаграмма сигналов при передаче символов С* и С] передаваемых по линии от КК к ОУ. Передача одного символа производится за четыре такта Г1...Г4 (Тг=Г2=...Г4»ГТ;. Кодирование информации при передаче от КК к ОУ производится манипуляцией пятью уровнями напряжений (/1, 11%, О, -их, -иг- При этом кодированная посылка, соответствующая одному передаваемому символу, представляется в виде двухполярного сигнала с нулевым средним значением. Манипуляция пятью уровнями напряжения при передаче данных от КК к ОУ предоставляет широкие возможности для кодирования данных. Использование набора символов обеспечивает при предложенном способе кодирования многосимвольный алфавит для передав информации, передачу служебной информации (признаков и команд) специально выделенными символами, посимвольную синхронизацию обмена и посимвольный контроль правильности принятого символа по условию нулевого среднего значения напряжения за время передачи символа.

Для передачи информации от ОУ к КК используется принцип передачи путем манипуляции уровней тока в линии. Причем для синхронизации передачи используется, сигнал, используемый при передаче от КК к ОУ. Манипуляция уровней тока производится только в тех тактах, в которых напряжение в линии имеют уровни +1/г или -и2. В работе рассмотрено два способа кодирования при передаче от ОУ к КК: уровнями тока и комбинацией уровней тока (кодирование перепадами тока). Кодирование уровнями тока реализуется наиболее просто. При этой, возможен набор из двух символов. Надежность декодирования в этом случае определяется величинами уровней тока.

Передача энергии от КК к ОУ происходит при высоких уровнях напряжения напряжения в линии. При низких уровнях напряжения в линии производится передача данных от ОУ к КК за счет манипуляции тока в линии.

Основными достоинствами предложенного метода организации обмена по ШК-СЦЦЭ по сравнению с принятыми в зарубежных проектах являются: возможность реализации дуплексного режима обмена в основной полосе частот; посимвольная синхронизация обмена; простота сопряжения ОУ с линией, не требующая применения промежуточных преобразований информационного сигнала и высокодобротных фильтров. Основным недостатком метода является снижение КПД при передаче питания с увеличением физической скорости обмена.

Для оценки энергетической эффективности канала введено понятие КПД при передаче энергии питания ОУ, выражение для расчета которого получено в виде:

п

ХР1

1=1 нэ.2х.1 соэ <?ах.1 п 1 „

Ъ= - = - Е ( П |Нц(]а)\)г,

Ро 2щ сог!рн1 1=1 1=1

где п - общее количество ОУ; и Ро - активные мощности, потребляемые 1-ым ОУ и каналом в целом; гщ и рщ - параметры нагрузки 1-го ОУ; 2Э.вх.1, Фвх. 1 и Нц(№) - параметры эквивалентного входного сопротивления и передаточная функция 1-го участка линии.

Для обоснования предлагаемого метода обмена во второй главе рассматриваются вопросы организации протоколов обмена на физическом уровне, выбора системы и параметров сигналов, анализа их спектральных и энергетических характеристик,- особенности согласования линий связи при совмещенной передаче данных и энергии питания, частотные и энергетические характеристики передачи по двухпроводным кабелям с парной скруткой.

В третьей главе исследуются электромагнитные процессы в двухпроводных линиях ШК-СЦЦЭ и их влияние на информационные и энергетические характеристики обмена. В отличие от традиционных каналов передачи цифровой информации информационно-энергетические характеристики ШК-СЦЦЭ находятся в более сильной взаимосвязи с электромагнитными процессами в линии связи. Экспериментальные исследования электрических режимов работ« таких гсаяалов свя-

заны с привлечением значительных материальных ресурсов и б о ль сими затратами времени из-за многовариантности технических решеник и сложности задачи. Наиболее целесообразным направлением исследований в данном случае является проведение математического моделирования на ЭВМ в сочетании с ограниченным объемом экспериментов.

При математическом моделировании электромагнитных процессов в ШК-СЦЦЭ ставятся следующие основные задачи:

- анализ влияния параметров канала и сигналов на информационные и энергетические характеристики обмена;

- выбор оптимальных видов и параметров цепей согласования

линии;

- анализ условий декодирования сигналов при различных методах приема и выдача рекомендаций по построению канапообразующих средств;

- анализ возможностей подключения шлейфов для построения каналов с различной топологией.

Для повышения вычислительной эффективности алгоритмов моделирования электромагнитных процессов в канале целесообразно линию с распределенным^ параметрами длиной х заменить конечнш числом участков /V с сосредоточенными параметрами. Тогда токи и напряжения могут быть найдены из решения обыкновенных дифференциальных уравнений, что повышает вычислительную эффективность за счет- перехода от расчета по двум координатам - времени и расстояния от начала линии к расчету только по времени одного участка. Для позучеит решения ло' геометрической координате производится многократное, решение обыкновенных дифференциальных уравнений для одного участка с соответствующий начальными условиями.

В'работе для определения методической погрешности моделирования при переходе от линии с распределенными параметрами к эквивалентной цепи с еосрэдоточенкьыи параметрами оценивается погрешность моделирования как по геометрической координате, гак и по времени в зависимости от числа участков И, а также методов численного интегрирования и связывания решений для смежных участков линии. 1

Эквивалентная схема ШК-СЦДЭ включает следующие структурные элементы: устройство сопряжения с каналом УСК, двухпроводную линию связи ЛС, которая заменяется конечным числом участков (от 20 до 100) с сосредоточенными параметрами, оконечные устройства ОУ

и устройства согласования линии УСЛ. Эквивалентная сх^ма и математическое описание электромагнитных процессов составлены при следующих основных допущениях:

- УСК, представленное в виде формирователя, импульсов напряжения и трансформатора гальванической развязки линейного передатчика, заменяется источником напряжения и(Ь) и линейной схемой замещения трансформатора для области высоких частот;

- ОУ, подключаемое к п-му узлу ЛС, представляется эквивалентной схемой, включающей развязывающий трансформатор, блок питания с нагрузкой и передающее устройство. В линейной эквивалентной с'.эме трансформатора учитываются индуктивности ветви намагничивания и рассеяния. Эквивалентная схема ОУ построена при следующих допущениях: в блоке питания диоды выпрямителя заменяются кусочно-линейной моделью; нагрузка представляется активным сопротивлением

Для наиболее простой топологии ШК-С1ЩЭ с 5 ОУ процессы описываются системой из 79 дифференциальных уравнений, с услож-. нением топологии при подключении шлейфов количество уравнений возрастает до нескольких сотен. Созданная математическая модель электромагнитных процессов в ММК-СЗДЗ позволяет исследовать путем машинного моделирования влияние параметров сигналов и канала на информационные и энергетические характеристики обмена. Машинным моделированием, электромагнитных процессов и экспериментами подтверждена принципиальная возможность создания ММК-СПДЭ с дуплексным режимом работы на основе многоуровневых информационных сигналов с максимальной физической скоростью обмена по кабелям с парной скруткой типа П-274М порядка 4000-8000 симв./с. Проведенные исследования показали, что в отношении эффективности дистанционной передачи энергии питания целесообразно использовать линию сзязи в режиме несогласованного включения. При этом можно использовать ЕС-согласование в конце линии и распределенное НЬ-согласование. Максимальный КПД при передаче энергии порядка 32-34 % при скорости обмена 4000 симв./с достигается при распределенном ^.-согласовании. Однако при этом увеличивается время задержки сигналов и снижается среднее значение сигнала обратной передачи. ^-согласование при более простой практической реализации лишено в значительной степени недостатков [^-согласования, однако обеспечивает КПД порядка 24-26 %..

Исследовано влияние схем организации питания ОУ на знерге-

ттеста характеристики канала. Проведены расчеты при организации схем питания без стабилизации и со стабилизацией напряжения: непрерывными и ключевыми схемами. Показано, что из-за большого перепада напряжений в начале и конце линии в ОУ, подключаемых ближе к КК, целесообразно использование ключевых схем стабилизации напряжения. Рассчитано время установления напряжений на конденсаторах-накопителях энергии ОУ при начальной инициализации канала в зависимости от мощности нагрузки и емкости накопительных конденсаторов.

Для оценки условий декодирования сигналов прямой и обратной передачи выполнено моделирование динамических процессов в ММК-СПДЭ с различной топологией. При этом оценка производилась по основным информационным параметрам:

- среднего напряжения элемента сигнала прямой передачи:

< Т —

Уар.п « - ип(Сп)сН:, п = 1, А,

- £н

где = Т?С0,1 + (п - 1)1; = ГТС0,5 + (п - 1)1-,

- разности средних значений тока в начале линии при наличии и отсутствии информационных сигналов в тактах обратной передачи:

Шп) = 1срп(п) - Гср°Сп) =

Гт/2+"2Сзад Гх =-:- Г1о(УсГС - ---

Тт/4 Тч/В+г^ая

где Гсрп(д) и 1ар°(п) - средние значения токов в тактах при наличии и отсутствии обратной передачи соответственно; длительность задержки сигнала.

С учетом характера динамических процессов в линии связи при передаче информационных сигналов установлена целесообразность применения интегральных методов приема в КК и ОУ.

- Исследования показали возможность подключения шлейфов к га-налу. При скорости обмена 4000 симв./сек максимальное расстояние от КК до конца любого шлейфа не должна превышать 2000 м.

Сопоставление полученных результатов исследований с требованиями проекта стандарта на системы ПЕ1ЛВ1Б класса Н1, согласно которого скорость передачи должна составлять не менее 10 со-

общений в секунду с 32 бит шли в сообщении, время реакции на запрос - не более 100 мс и длина 5 шлейфов - до 10 м, показывает, что развиваемый в данной работе подход к организации ММК-СПДЭ является перспективным. Причем для получения указанной скорости передачи достаточна длительность цикла передачи- символа порядка 2 мс, что превышает на порядок минимально возможную длительность цикла, полученную в результат? моделирования. При работе с физической скоростью обмена, соответствующей нижней границе требований на системы ПШШЭ, обеспечивается значительной улучшение информационных (например, увеличение перепадов средних значений токов обратной передачи в 2 раза) и энергетических характеристик (КГЩ при . передаче энергии порядка 55 % при суммарной полезной мощности на нагрузке ОУ от 1 до 1,5 Вт, что в 4-6 раз превышает соответствующую мощность в проекте ЕШЕСА) при предложенном методе организации ШК-СПДЭ.

В четвертой главе анализируется помехоустойчивость ММК-СПДЭ. Оценка помехоустойчивости МШ-СЭДЭ проводятся в два этапа. На первом этапе производится оценка вероятности ошибки Рош при приеме сигналов с использованием результатов теории оптимального приема дискретных сигналов, а на втором производится оценка при квазиоптимальных методах приема, практичес1!ая реализация которых намного проще. В силу различия физического протокола обмена в прямом и обратном направлениях оценка Р0ш производится для каждого направления передачи. При этом принимается допущение о линейности канала.

В данной главе получены аналитические соотношения для оценки помехоустойчивости при интегральном методе (с использованием квазиоптимальных КС-фильтров) приема в ОУ при воздействии гаус-совского белого шума в канале, позволяющие оценить вероятность ошибочного приема элемента сигнала в зависимости от отношения сигнал/шум.

Для оценки степени проигрыша в отношении сигнал/шум по сравнению с оптимальным приемом противоположных двоичных сигналов определены соотношения сигнал/щум при интегральном методе приема. Для общности результатов анергии Е\ и Е% элементов сигнала приведены к полной анергии сигнала Ес = , где а = \UzZUt\- Установлено, что при интегральном приеме проигрыш в отношении сигнал/шум по сравнению с оптимальным приемом потенциально самых помехоустойчивых противоположных сигналов составляет

порядка 1,5 дБ при приеме элементов сигнала с уровнем 'и'\ и 7,7 дБ при приеме элементов сигнала с уровнем (для двухсимвольно-го алфавита).

Для оценки помехозащищенности ШК-СПДЭ в режиме обратной передачи получены аналитические соотношения и расчетные зависимости коэффициента подавления помехи в линии связи от частоты в зависимости от длины канала, взаимного расположения КК, передающего ОУ и источника помехи. Коэффициент подавления помехи при передаче "О" определяется по выражению

.ел — - ^пр л

КтШ = —:-=•-Ии'НМ/

Уп вых /?пр

где Ян (¿в) - передаточная функция участка линии длиной .¡1 (расстояние между приемником и источником помехи); Еп - величина помехи; ип вых - напряжение помехи на входе приемника (выходе обратного канала); гпр и /?пр - полное и активное сопротивления приемника КК.

Коэффициент подавления помехи при передаче "1" определяется

как

£п 2пр , „

Кпз(»= —:--- Сйц 0«) Я« О») Г1.

^п аых йпр

где Яц'Ою) и НггОи) - передаточные функции участков линии-, и 1г - расстояния между приемником и передающим ОУ и от передающего ОУ до конца линии.

Выполненный анализ степени подавления помех показывает, что при передаче "О" коэффициент подавления помех в двухпроводном кабеле с парной скруткой (в диапазоне длин от 500 до 2000 м) в области низких частот (до 10 кГц) находится в пределах от 45 до 55 дБ, а при передаче "1" - от 35 до 85 дБ, в зависимости от местоположения источника помех и передающего ОУ. На частотах свыше 10 кГц коэффициент подавления помех в наихудшем случае составляет величину порядка 30 дБ. Полученные результаты позволяют сделать вывод о высокой потенциальной помехозащищенности обратной передачи с токовыми сигналами в ШК-СЦДЭ.

Подучены также аналитические соотношения для оценки помехоустойчивости интегрального приема сигналов обратной передачи при гауссовском белом шуме, учитывающие местоположение передающего

СУ и длину канала. Для расчета отношения сигнал/шум нз выходе фильтра с адаптивным стробирозаниэм получено выражение:

где Eon = 4'Jn Tr - энергия сигнала при классическом способе передачи с пассивной паузой; д = tv&0/Tт - относительная длительность распространения сигнала по линии связи.

Показано, что проигрыш в отношении сигнал/шум по сравнению с оптимальным приемом сигналов с пассивной паузой составляет порядка 4 дБ при простом стробировании и 3,5 дБ при адаптивном стробировании приемника.

В целом следует отметить, что высокая помехоустойчивость обратного канала передачи ШК-СЦЦЭ моййт быть • достигнута, как •показал проведенный анализ, за счет подавления помехи самой линией связи. Вследствие больших значении коэффициентов подавления помехи в линии связи требования к отноаения сигнал/шум могут быть значительно ослаблены. Так, например, такое ослабление канала длиной 2 км выражается величиной порядка SO дБ по напряжению.

В пятой главе рассматривается вопросы организации протоколов обмена в 1Ш-СТЩЭ на каканьном уровне, а также принципы построения и алгоритмы функционирования КК и контроллеров ОУ (КОУ). Анализ электромагнитных процессов в 1ЙЖ-СЦЦЗ показывает, что физическая скорость передачи информации ограничена влиянием переходных процессов. Поэтому при ограниченной скорости обмана и налагаемых требовашш на простоту организации интерфейса ОУ особое значение приобретает выбор протокола обиэна по мультиплексному каналу. Причем при ограничешнх на физическую скорость передачи по двухпроводша.1 лингам повышение информационной скорости обмена макет быть достигнуто за счет кодирования информации с использованием шогоишвольного алфавита.

В работе показано, что на основе предложенного метода организации двухстороннего обмена по LffiH-СГЩЗ восттаа гибкая реализация протоколов обмена, какиаыапьно учиткзЕщая фивиияскт"! уровень реализации. При этом рассматриваются дел способа кодирова-

ник адресов: двоичное п символьное. Протоколы с двоичным кодированием адреса обеспечивают жесткое временное разделение передачи запросов и данных от ОУ, высокую скорость реакции на запросы (время доступа к ОУ с наивысшим приоритетом не превышает 18Гс) и количество векторных прерываний равное количеству логических адресов (до 256). Достоинством протокола с двоичным кодирование« адреса является простота аппаратно-программной реализации. Повысить скорость передачи в обратном направлении в 2 раза можно за счет символьного кодирования адресов ОУ. При этом количество ОУ с векторным прерыванием может достигать 81, а время доступа монет задаваться программно как (т + 6)ГС, где т - количество информационных символов между символами-признаками запросов, выставляемых на линию.

На основе анализа вариантов организации протоколов обмена предложены различные форматы передаваемых сообщений. Показаны пути повышения скорости информационного обмена при ограниченной физической скорости передачи, достигаемой применением многосимвольного алфавита, что позволяет сократить длину передаваемых сообщений за счет символьного кодирования команд канального уровня, символьного кодирования адресов и переменной длины формата сообщений. Из анализа возможных вариантов построения КК следует, что при отсутствии специализированных БИС наиболее целесообразным вариантом, оптимально сочетающим быстродействие и аппаратные затраты, является аппаратно-программная реализация с расширением в виде микропрограммного автомата к 16-разрядному микропроцессору общего назначения.

Анализ вариантов реализации КК и алгоритмов функционирования показывает на возможность реализации цифровой части КК в виде специализированной СБИС, поддерживающей алгоритмы протокола канального уровня и взаимосвязь с верхними уровнями иерархии.

На основе классификации ОУ ШК-СГЩЭ и предложенной обобщенной структуры в ОУ выделены функционально-независимая подсистема - контролер КОУ и функционально-ориентированная подсистема, зависящая от типов и количества подключаемых датчиков и исполнительных устройств и решаемых задач. В работах автора детально рассмотрены варианты функциональной и схемотехнической реализации базовых узлов КОУ (устройства сопряжения с каналом, декодеры уровней, дешифраторы символов и адресов, формирователи синхросигналов на базе устройств с фазовой автоподстройкой частоты и

др.). В зависимости от назначения ОУ КОУ при исполнение на дискретных элементах содержит от 20 до 30 ЮЮП ИС средней степени интеграции. Предложенные варианты схемотехнической реализации КОУ ввиду простоты и преобладания цифровых элементов и элементов вентильного типа имеют высокую технологичность для интегрального исполнения в виде специализированных КЫШ СБИС.

Применение микропроцессоров общего назначения (в КМОП-исполнении) в ОУ с питанием от линии при достигнутом в настоящее время энергопотреблении ограничено. Поэтому, при необходимости распределенную обработку данных в ОУ целесообразно производить структурными методами на основе специализированных вычислительных устройств и функциональных преобразователей.

В шестой глазе рассматриваются вопросы повышения производительности и точности РИИС с ММК-СЦЦЭ на основе распределенной обработки измерительных сигналов в аналого-цифровых структурах в составе ОУ.

Одним из эффективных путей повышения производительности и расширения функциональных возможностей РИИС с ИНК является создание вторичных ИП преобразователей для ОУ, реализующих вычислительные преобразования над измерительными сигналами непосредственно в ОУ. Такие ИП будем называть измерительно-вычислительными преобразователями (ИБП). В общей случае преобразования в ИБП могут быть реализованы на аналоговых, аналого-цифровых и цифро-аналоговых структурах. В отношении погрешности преобразования и информационной совместимости с цифровыми вычислительными средствами (ЦВС) и каналами наибольший интерес представляют аналого-цифровые ЙШ (АЦИЕП), которые, не обладая аппаратурной избыточностью, сочетают в рамкахединой функционально-конструктивной реализации функции вычислительной обработки, и преобразования формы информации, и следовательно, могут рассматриваться как системные средства интегрированного сопряжения объектов измерений с ЦВС.

К обстоятельствам, предопределяющим перспективы использования АЦИВП в РИИС, отнесены повышение: производительности РИИС за счет распределенной обработки данных; точности измерений за счет перехода от аналоговых преобразований к аналого-цифровым; степени сжатия измерительной информации и функциональных возможностей. Причем перспективы применения ¿ДИВИ тесно связаны с задачей создания таких преобразователей, реализующих функционально пол-

кый набор вычислительных преобразований: множительно-делительных, интегро-дифференциальных, возведение в степень, извлечение корней, логарифмических, тригонометрических и других функциональных преобразований.

Целью исследований, проводимых в главах 6 и 7, является абабшрят к развитие методов построения АЦИВП для ИИС, реализующих функционально полный вабор вычислительных преобразований на базе структур сходных по составу операционных элементов, принципу организации и наиболее полао, отвечающих комплексу требовании по точности, быстродействию^, надежности и технологичности изготовления с учетом современного уровня развития микроздектронной элементной базы. Причем рассмотрение'ведется как а плане создания новых типов АЦИВП, так и г плане выделения, развития и применения иавестных структур для решения измерительных задач.

На основе анализами обобщенш.иетодов построения АЦ-вычис-лительных структур выделены три основных метода построения: непосредственного кодирования, промежуточного параметрического преобразования и раздельной обработки аналоговой и цифровой составляющих. Показано, что при современном состоянии развития мик-розлектронной базы наиболее простые и в тс же время многофункциональные устройства могут быть реализованы па базе компенсационных структур с непосредственным кодированием к промежуточным преобразованием в частотно-временной параметр. Выделены и получили развитие в работе ынакательнрг-делительные, интегрирующие и дкфференцирувзще структуру и структуры с табличной обработкой данных, которые по совокупности характеристик (аппаратным затратам, точности, быстродействию, технологичности микроэлектронной реализации) наиболее полно отвечаат требованиям предъявляемым к АЦИЕП для ОУ ШК-СЩЭ. Для АЦИВП ыножительно-делительного типа ■ разработаны структуры с одно- и двухтактным преобразованием и программируемые структуры. Выполнен анализ методических погрешностей интегрирующих и дифференцирующих АЦИЕП при различных способах формирования интегралов и производных и сформулированы рекомендации по выбору способов преобразования в зависимости от спектров обрабатываемых сигналов. Предложенные структуры АЦИВП легли в основу ряда практических разработок применительно к задачам измерения, контроля и управления.

В седьмой главе развиваются методы построения аналого-цифровых функциональных преобразователей (<Ш) для нелинейной обра-

- 23 -

Эотки сигналов в измерительных каналах ОУ РШС.

В измерительной технике ФП, являясь разновидностью ИБП, находят широкое применение для линеаризации характеристик датчиков, расширения динамического диапазона измерений, реализации косвенных измерений, расширения динамического диапазона измерений, построения функциональных генераторов и др.

В настоящее время наибольший интерес вызывают проблемы разработки методов и синтеза структур функционального преобразования, обеспечивающих интегральную реализацию и низкую чувствительность погрешности преобразования к неточности воспроизведения и нестабильности параметров операционных элементов. Среди методов й устройств функционального преобразования, оперирующих :о смешанной формой представления информации, наиболее разработанными к настоящему времени являются вопросы создания ФП с зфотно-ямпульсньм и частотно-импульсным представлением информации, а также со структурой "цифра-аналог".

В данной главе рассматриваются вопросы создания АЦФП для ОУ ■га базе микроэлектронкых средств со структурой "аналог-цифра" и "аналог-цифра-аналог", т.е. устройств с аналоговым входом и цифровым или комбинированным (аналоговым и цифровым) выходом. Такие АЦФП имеют наиболее широкую сферу практического применения как в измерительной технике, так и в других областях, что объясняется цвумя основными причинами. Во-первых, по своему происхождению абсолютное большинство сигналов, снимаемых с датчиков или первичных измерительных преобразователей являются непрерывными. Во-вторых, основу современных систем обработки данных составляют ЦВС, что предполагает их оснащение средствами АЦ- преобразования. Применение АЦФП в таких системах позволяет совместить функции предпроцессорной обработки и преобразования формы представления информации.

Целью исследований, проводимых в данной главе является развитие принципов построения и методов синтеза АЦФП для измерительных каналов ОУ на базе структур, обеспечивающих высокую степень унификации элементной базы и микрозлектронную реализацию, а также разработка метода аппроксимации дробными степенями для ре-ления задач синтеза ФП с низкой чувствительностью к неточности воспроизведения параметров операционных элементов.

Показано, что базовая вычислительная операция - возведение в степень, используемая при функциональном прео^чзоаании доста-

точно просто и технологично в отношении микро-электронной реализации реализуются компенсационными АЦ-структурами типа "аналог-цифра", "аналог-цифра-аналог" и "аналог-цифра-аналог-цифра" с функциональной обратной связью на базе умножающих ДАЛ (УЦАП). При этом в общем случае может быть воспроизведена операция возведения в степень с произвольным показателем (целым или дробным, положительным или отрицательным). При заданной обобщенной структуре АЦФП в веде, выделенной в работе, структуры АЦ-m.z сформирован алгоритм структурного синтеза АЦФП для воспроизведения операции возведения в степень с заданным показателем 0, сводящийся к определению элементов четверки:

Si6> = -С т, z, 1, Y где л? (8) = 1, 2, 3,... - количество УДАЛ в структуре; г(в) =1, т - номер УДАЛ, с выхода которого снимается сигнал обратной связи ОС; 1(Q) = 1, т - номер УЦАП, с выхода которого снимается результат вычисления в аналоговой форме; v(Q) - вариант подачи входной переменной их в зависимости от знака показателя степени.

В работе подучили развитие способы структурной реализации АЦФП с полиномиальной и дробно-рациональной аппроксимацией. Показано, что использование в таких устройствах структур типа АЦ-m.z обеспечивает высокую степень регулярности и унификации микроэлектронной элементной базы. При этом могут быть реализованы АЦФП как с аналоговым, так и с цифровым выходами. Для сокращения аппаратных затрат при функциональных преобразованиях предложены структуры с двух- и многотактным преобразованиями.

Для снижения чувствительности погрешности ФП с непрерывной аппроксимацией к неточности, задания весовых коэффициентов в работе предложено использовать аппроксимацию дробными степенями вида хр/ц. В качестве критерия близости исходной функции f(x) и приближающей щ(х, а) на интервале Са, Ь] принято среднеквадратичное отклонение и задача приближения сведена к поиску а, минимизирующего функционал ввда

ь

nan F(x, a) = Г Сf(x) - Е SiX(p1"l)/4]2 dx .

xzia.bl J 1=0

s

На ряде примеров показано, что приближение степенями с дробными показателями по сравнению с приближениями полиномами при реализации ФП обеспечивает меньшие аппаратные затраты при

пониженных требованиях к инструментальной погрешности элементов преобразователя за счет простоты аппроксимирующих выражений, узкого диапазона числовых значений весовых коэффициентов и устойчивости к неточности задания последит..

В восьмой главе, приволчтся результаты теоретических и экспериментальных исследований структурных и структурно-алгоритмических способов измерения и повышения точности измерительных преобразователей и каналов для измерения некоторых параметров технологических процессов.

Специфика ШК-СОДЭ существенно ограничивает применение стандартных средств измерительного преобразования в ОУ с питанием от линии прежде всего по потребляемой мощности. Вследствие этого применительно к РШС с ММК-СПДЭ необходимо развитие экономичных в отношении аппаратной реализации структурных и структурно-алгоритмических способов и средств измерительного преобразования и повышения точности. При ограничениях на потребляемую мощность на первый план выдвигаются схемотехнические и алгоритмические аспекты реализации средств измерений. В данном разделе показаны некоторые пути развития средств измерений, встраиваемых в ОУ, и основанных на использовании структурных (показано на примере реализации ИП постоянных и переменных токов и напряжений с гальванической развязкой измерительных цепей, ИП сопротивления в напряиение с компенсацией влияния сопротивлений соединительных проводов и смещением начала шкалы преобразования, ИП для мостовых тенэометрических датчиков с компенсацией температурных погрешностей, специализированные ИП параметров сварочного процесса) и структурно-алгоритмических методов (ИП с групповым подключением датчиков, измерительные каналы для измерения теплоэнергетических .параметров). Оригинальность предложенных способов построения ИП подтверждена авторскими свидетельствами на изобретения.

В приложениях приводится краткое описание, результаты испытаний и основные технические характеристики специализированных ИИС, созданных с использованием основных теоретических положений диссертационной работы. Приведены также материалы, относящиеся к внедрению результатов диссертационной работы.

26 -

3 А К 1 О Ч Е Н И Е

Совокупность теоретических и прикладных результатов, полученных в диссертационной работе, мсишо квалифицировать как научное обоснование технических решений для развития перспективного направления в области создания распределенных информационно-измерительных систем на основе ШК-СПДЭ, внедрение которых вносит значительный вклад в ускорение научно-технического прогресса.

Основные результаты работа состоят в следующем:

1. Сформулирована концепция РИИС как подсистем нижнего уровня интегрированных сетевых систем автоматизации, базирующаяся на использовании принципов централизованного управления дуплексным обменом по , двухпроводным мультиплексным моноканалам с совмещенной передачей данных и энергии питания и многосимвольного алфавита. Выполнен сравнительный анализ методов совмещенной передачи информации и анергии питания и произведена их классификация, в основу которой положены вид тока при передаче энергии и способ разделения информационных и питающих сигналов.

2. Предложен и,обоснован метод организации двухстороннего обмена по ШК-СПДЭ на основе многоуровневых информационных сигналов. Выполнен анализ частотных и энергетических характеристик передачи и режимов согласования линий связи при передаче многоуровневых сигналов по кабелям с парной скруткой.

3. Разработана цифровая модель ШК-СПДЭ электромагнитных процессов в двухпроводных линиях при совмещенной передаче информации И; энергии питания с заданной топологией канала, позволяв-оря исследовать' путрм машинного моделирования влияние параметров сигналов и канала на информационные и энергетические характеристики обмена.

4. На основе теоретического и экспериментального исследования электромагнитных процессоь в ШК-СПДЭ с различной топологией определены основные информационные и энергетические характеристики обмена и сформулированы требования и рекомендации по организации и реализации каналообразугщих средств.

5. Произведена оценка помехоустойчивости ШК-СПДЭ 'и получены параметры и характеристики помехоустойчивости для расчета вероятности ошибок при квазиоптшальных методах приема и коэффициентов подавления помех в канале. Получены аналитические соотно-

шения для оценки помехоустойчивости при интегральном методе при-емз в режимах прямой и обратной передач при воздействии гаус-совского белого шума, позволяющие оценить вероятность ошибочного приема элемента сигнала в зависимости от' отношения сигнал/шум. Выполнен анализ помехозащищенности канала в режиме обратной -передачи при различных взаимных расположениях приемного и передающих устройств и источника поиех в различных диапазонах частот.

6. Разработаны и проанализированы варианты организации протоколов физического и канального уровней и принципы построения контроллеров канала и оконечных устройств для ШК-СПДЭ. Предложены и испытаны варианты функциональной и схемотехнической реализации каналообразующих средств.

7. Развиты методы и средства распределенной обработки измерительных сигналов з ОУ на основе аналого-цифровых структур. Обобщены методы построения АЦИЕП я АЦФП для ОУ ММК-СПДЭ и предложены базовые структуры, реализующие функционально полный набор вычислительных, преобразований для распределенной обработки измерительных сигналов. Развиты методы анализа и синтеза АЦФП для нелинейной обработки измерительных сигналов на основе компенсационных АЦ-структур. Предложен метод аппроксимации дробными степенями для синтеза АЦФП с низкой чувствительностью погрешности преобразования к неточности задания весовых коэффициентов.

8. Предложейы способы и средства измерительного преобразования и повышения точности для ОУ 1ШК-СПДЗ при измерения ряда параметров технологических 'процессов и разработаны оригинальные варианты схемотехнической реализации Ш постоянных и переменных напряжений и токов; сопротивления в напряжение; давления и силы; для группового подключения однотипных, мостовых и разнотипных датчиков резистивного типа; параметров сварочных процессов и др.

9. На основе разработок и исследований, проведенных в диссертационной работе, созданы и внедрены специализированных ЛИС для решения ряда задач контроля, испытаний, управления и научных исследований: комплекс микропроцессорных средств для построения информационно-измерительных и управляющих систем при жестких ограничениях на энергопотребление; автоматизированная система активного контроля качества сварных соединений при контактной точечкой сварке; система контроля температуры для сушильных камер; экспедиционно-полевой ИВК для геофизических исследований методом МТЗ; система обработки сигналов для лазерных измерителей сверх-

малых перемещений; автоматизированная система испытания изделий на электрическую прочность и др.

ОСНОВНЫЕ ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

Монографии и учебные пособия

1. Чернявский Е.А., Чье Ен Ун. Аналого-цифровые измерительно-вычислительные преобразователи.- СПб.: Энергоатомиздат, 1994,- 140 с.

2. Чье Ен Ун, Симаков С.Р., Падерин А.И. Мультиплексные моноканалы с совмещенной передачей данных ,и энергии питания для распределенных информационно-измерительных систем /Под ред. Чье Ен Уна.~ Хабаровск: Изд-во Хабар, гос. техн. ун-та, 1995.-219 с.

3. Чье Ен Ун. функциональная организация и микросхемотехника измерительных преобразователей и каналов микропроцессорных систем автоматики: Учеб. пособие,- Хабаровск: Изд-во Хабар, гос. техн. ун-та, 1995.- 125 с.

Ar Чье Ен Ун. аяектронные устройства автоматики к телемеханики: Метод, указания по курсовому проектированию.- Хабаровск: Хабар, пшттехн. ин-т, 1988.- 37 с.

Статьи

Белахов О.В., Чье Ен Ун. Автоматизация контроля качества контактной точечной электросварки //Изг. ЛЭТИ.- Л.: 1S79.- Вып. 255. С.76-78.

О, -Петпов Ю.А., Чье Ек Ун. Измерительный преобразователе энергии для контактных точечных машин //Электротехническая про-ыжкенность. Сер. Электросварка, 1979.- Вый. 1/52.'.- С. 14-16,

, 7. Петров Ю.А., Чье Ен Ун. Анализ эффективности дозирования энергии для повышения качества контактной точечкой -электросварки //Электротехническая промышленность. Сер. Электросварка, 1979.-Еып.5/56/.- С.10-11.

8. Система активного контроля качества контактной точечной сварки на базе математической модели сварочного процесса /Васильев A.C., Белахов O.E., Петров Ю.А., Стрельников В.П\, Чье £н Ук.//Автоматическая сварка, 1980, N 5.- С.42-44.

8. Петров Ю.А., Чье Ен Ун, Датчик сопротивления участка электрод-электрод прч контактной сварке //Сварочное производств i£8üf N 8,- С.3п-3б.

- 29 - '

10. Устройство для контроля и управления качеством контактной точечной электросварки /Белахов О. В.,. Петров' Ю. А., Стрельников В.П., Чье Ен Ун. //Электротехническая щхкяьшленность. Сер. Электросварка, 1830.- Енп.5/В2/.- С.13-15.

11. Потров Ю.А., Чье Ен Ун. Однородные функциональные устройства д.гя автоматизации сварочных процессов //Электротехническая прсаазкеняость. Сер. Электросварка, 1980.- Вып.6/63/.-С.7-11.

12. Кузьмина Е.й., Петров». А., Чье Ен Ун. Автоматическое управление ¡сачеством. контактной точечной электросварки на базе математических моделей процесса и микропроцессорных средств //Специальные вопросы электротермии /Межвуз. сб. науч. тр.- Чебоксары, ЧТУ, 1980.- Вып.9.- С.63-69.

13. Петров Ю.А., Чье Ен Ун. Передаточная функция и частотные характеристики контактной сварочной малины переменного тока //Изв. ЛЗТИ.- Л.: 1980.- Еып.273.- С.30-84.

14. Кузьмина Е.И., Петров Ю.А., • Чье Ен Ун. Об одном алгоритме управления процессом контактной точечной сварки // Изв. ЛЭТИ.- Л.: 1981.- Вып.299.- С.66-69.

15. Чье Ен Ун. Анализ спектрального состава тока и напряже-гия в тиристорном регуляторе при асимметричном управлении //Исследование специальных вопросов электротермии /Меквуз. сб. науч. тр.- Чебоксары, ЧТУ, 1982.- С.56-60.

1В. Управление конечным состоянием процесса контактной точечной сварки /Вапдшев В.Б., Горлов Ю.И., Грибанов С.П., Петров Ю.А., Чье Ей Ун. //Изв. ЛЭТИ.- Л. :19В2.- Вып.321.- С.61-63.

17. Алгоритмы управления сварочными машинами /Белахов О.В., Грибанов С.П., Иоффэ Ю.В., Чье Ен Ун.//Изв. ЛЭТИ.-. Л.: 1933.-Еып.329.- С.82-85.

18. Чье Ен Уя, Нелешкин И. В. Цногофункциональныи аналого-цифровой кноиительио-делительный модуль //Разработка и моделирование в технических и социально-экономических проблемах освоения океана /Сб. тр.- Владивосток, ДЕЛИ, 1985.- С.53-55.

19. Иванов М.Ю., Левенец А.В., Чье Ен Ун. Потенциальные возможности вычислительных средств на базе ШК БИС КР 583 //Методы и средства обработки информации в радиоакмстронкьпс и микропроцессорных системах /Сб. науч.тр. - Хабаровск, ХЛИ, 1989.-С.8-10.

20. Чье Ен Ун. К выбору пространства приблккекчя при синте-

- so - •

зе функциональных преобразователей //Программная и аппаратная реализация алгоритмов в радиоэлектронных и микропроцессорных системах/ Сб.науч. тр.- Хабаровск, ХПИ ,1990.- С.22-25.

21. Символьно-графический дисплей для полевого измерительно-вычислительного комплекса/Левенец А. В., Симаков С.Р., Ступа-ков А.В., Чье Ен Ун. //Программная и аппаратная реализация алгоритмов в радиоэлектронных и микропроцессорных системах/ Сб. науч. тр.- Хабаровск, ХПИ ,1990.- С.4-6.

22. Чье Ен Ун, Абрамов Б.И., Солод М.Н. Тригонометрические функциональные преобразователи на аналого-цифровых структурах //Расчет и исследование динамических показателей элементов и систем автоматизированного электропривода /Сб.науч. тр.- Комсомольск-на-Амуре, КНАПИ, 1990.- С.81-84.

23. Экспедиционно-полеваи система сбора и обработки измерительной информации /Чье Ен Ун, 'Левенец А .В., Пройоторав И.В. и др.//Приборы и техника эксперимента.- 1991, N 5.- С.199.

24. Architectural Characteristics of Setting1 up Field-Expedition Microprocessor Means of Data Processing and Collecting: of Measuring Informations /Levenets A."., Slmakov S.R., Stupakov A.V., Che En Un. //The Actual Problems of The Scientific and Technological Progress of The Far Eastern Region The Base -of Soviet Union-China Direct Cooperation /Proceedengs of The First Soviet Union-China Symposium.- Khabarovsck, 1991.-P.28-35.

25. Chye En Un. Features of Construction end Application of Analog-to-Digital Functional converter for signal processing // Proceeding of The 2nd ISPSTP.- Harbin, PRC, 1992.- P.17-21.

26. Чье Ен Ун. Преобразователь сопротивления в напряжение с трехпроводной соединительной линией //Изв. вузов. Приборостроение - 1993, N 4.- С.47-48.

' 27. Чье Ен Ун, Симаков С.Р. "Аппроксимация дробными степенями и ее приложение к задачам синтеза функциональных преобразователей информации//Сб. науч. тр. НЙЖГ.- Хабаровск, ХГТУ, 1993, Вып.1.- С.71-79.

28. Левенец А.В., Симаков С.Р., Чье Ен Ун. Одноплатная шестнадцатиразрядная микроэвм с низким энергопотреблением //Сб. науч. тр. ЕИИКТ.- Хабаровск, ХГТУ, 1993.- Вып.1.- С.177-183.

29. Чье Ен Ун. Структурный синтез одного класса измерительных аналого-цифровых функциональных преобразователей //СО. на-

уч. тр. НИИКТ.- Хабаровск, ЭТТУ, 1903.- Вш.1.- С. 184-192.

30. Chye En Un. Modelling Signals V'lth Giving Spektral and Statistic Perfortnencas //The Actual Problems of The Scientific and Technological Progress of Tho Far - Eastern Region /Proceedings of Third Russian-China Simposium.- Khabarovsk, 1993.- P.5-9.

31. Чье En Ун, Симаков O.P. Метод компенсации температурной погрешности тензопреобразователей //Измерительная техника, 1993, К 7,- С.39-40.

32. Левенец A.B., Чье Ен Ун. Моделирование алгоритмов выделения скрытых периодичностей по пересечениям нуля //Моделирование и расчеты на прочность искусственных сооружений / Сб. науч. тр.- Хабаровск, ХГТУ, 1993.- С.6-9.

33. Падерин A.M., Симаков С.Р., Чье Ен Ун. Выбор алгоритмов численного моделирования злэктро:.<аг:шгких процессов в длинных линиях //Моделирование и расчеты па прочность искусственных сооружений/ Сб. науч. тр.- Хабаровск, ХГТУ, 1993.- С.3-5.

34. Чье Ен Ун, Стеков' С.Р. Екожяяянне варианты реализации преобразователей сопротивления в напразгаиие для резистивньк датчиков //Измерительная техйкка.- 1994.- N 5. - С.49.

35. Грибов C.B., Симаков С.Р., Чье Ен Ун. Алгоритмический способ коррекции температурной погрепности тенэометрических датчиков давления и силы //Измерительная техника. - 1995.'- N 3.-С.43-44.

35. Грибов C.B., Симаков С.Р., Чье Ен Ун. Способ построения микропроцессорного измерителя расхода теплоносителей //Метрология.- 1995. - M 3.- С.11-15.

37. Провоторов И.В., Симаков С.Р., Чье Ен Ун. Способ измерения постоянного и переменного таков с гальванической развязкой //Измерительная техника.- 1995.- N 4.- С.49-50.

38. Грибов C.B., Сииаков С.Р., Чье Ен Ун. Организация микропроцессорного измерительного канала при групповом подключении резистивных датчиков //Измерительная техника.- 1995.- H 5.-С.9-11.

Авторские свидетельства

39. A.c. N 742073, СССР, Ш£ В 23 К 11/24. Устройство для измерения сварочного тога /Петров Ю.А., Чье Ен Ун.- Опубл. в Б.И. 1980, N 23.

40. A.c. N 764895, СССР, МКИ в 23 К 11/24. Устройство для измерения напряжения на сварочных электродах /Петров Ю. А., Ко-марчев А.И., Чье Ен Ун.- Опубл. в Б.И 1980, N 35.

41. A.c. N 829369, СССР, ШИ В 23 К 11/24. Устройство для контроля качества точечной контактной сварки /Белахов О.В., Васильев A.C., Петров ¡0.А., Стрельников В.П., Чье Ен Ун.- Опубл. в Б.И. 1981, N 18.

42. A.c. N 852475, СССР, МКИ В 23 К 11/24. Устройство для измерения активного сопротивления сварочного контура /Зверева Е.М., Петров Ю.А., Федорова B.C., Чье Ен Ун.- Опубл. в Б.И.

1981, N 29.

43. A.c. N 958847, СССР, ШИ S 01 В 7/12, G 01 В 7/32. Устройство для измерения размеров плоских поверхностей / Белахов О.В., Качалов Б.Я., Стрельников В.П., Чье Ен Ун.- Опубл. в Б.И.

1982, N 34.

44. A.c. N 9980S5, СССР, МКИ В 23 К 11/24. Устройство для измерения активного сопротивления сварочного контура /Петров Ю.А., Федороза B.C., Чье Ен Ун. - Опубл. в Б.И. 1983, К 7.

45. A.c. СССР N 1088008, ШИ G 06 F 15/353. Цифровой функциональный преобразователь /Чье Ен Ун, Конопелько Р.К.- Опубл. в Б.И. 1984, N 15.

46. A.c. N 1088009, СССР, МКИ ß Об F 15/353. Цифровой .функциональный преобразователь /Чье Ен Ун, Конопелько Г.К.- Опубл. в Б.И. 1984, N 15.

47. A.c. N 1260682, СССР, МКИ G 01 В 21/00. Устройство для .измерения дробной части интерференционной полосы /Конопелько Г.К., Криницын Ю.М., Чье Ен Ун.- Опубл. в Б.И.-1986, N 36.

48. A.c. N 1320819, СССР, ЫВД S 06 G 7/12. Вычислительное устройство /Чье Ен Ун.- Опубл. в Б.И. 1987, N 24.

Подписано в печатьZ4.0?. 9S Офсетная печать. Тирад 100 экз.

Формат 60 х 84 1/16.

Печ. л. 2,0; уч.-изд. л. 2,0.

Зак. 72 ,

Печатный участок издательства Хабаровского государственного технического университета. 680035, Хабаровск, уд.Тихоокеанская, 136.