автореферат диссертации по приборостроению, метрологии и информационно-измерительным приборам и системам, 05.11.16, диссертация на тему:Процессорные информационно-измерительные системы с время-импульсным преобразованием

На правах рукописи

Комшилова Кира Олеговна

ПРОЦЕССОРНЫЕ ИНФОРМАЦИОННО-ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЕ СИСТЕМЫ С ВРЕМЯ-ИМПУЛЬСНЫМ ПРЕОБРАЗОВАНИЕМ

Специальность: 05.11.16 - информационно-измерительные

и управляющие системы (при боростроение)

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Санкт-Петербург - 2006

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

Научный руководитель -

доктор технических наук, профессор Авдеев Борис Яковлевич

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор Исмаилов Шамси Юсифович кандидат технических наук, доцент Антонкж Петр Евгеньевич

Ведущая организация — Открытое акционерное общество «Электромера», г.Санкт-Петербург

диссертационного совета , , , _____ _

электротехнического университета «ЛЭТИ» им. В.И.Ульянова(Ленина) по адресу: 197376, С.-Петербург, ул. Проф.Попова, 5.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке университета.

Защита состоится

Автореферат разослан 2006 г.

Ученый секретарь Диссертационного совета

Юлдашев З.М.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Современное развитие вычислительной техники, которое в первую очередь связано с появлением быстродействующих микропроцессоров (МП), позволяет задуматься о возможности создания информационно-измерительных систем (ИИС) на базе МП для обработки информации в научных исследованиях, для контроля в производственных технологических процессах и технологических испытаниях. При этом ИИС является аппаратно-программным комплексом, в котором задачи сбора, анализа и отображения информации распределены между аппаратными и программными модулями.

Системы, проектируемые на базе персонального компьютеров, включают в себя три блока: сбор, анализ и отображения информации. Скорость работы каждого из перечисленных блоков влияет на частоту дискретизации сигнала, а значит и на точность измерительного средства. В настоящее время оценить быстродействие цифровой ИИС и потенциально реализуемую точность ИИС можно только в процессе разработки системы, что существен ко увеличивает временные и экономические затраты на разработку измерительного комплекса в целом.

При рассмотрении ИИС как аппаратно-программного комплекса необходимо решить вопрос оценки быстродействия каждого из перечисленных модулей. Блок отображения и анализа информации может быть реализован программно на МП. Тогда желательно оценить временные затраты на выполнение данных задач на МП. Несмотря на то, что вопрос оценки производительности вычислительных систем (ВС) неоднократно поднимался в литературе такими авторами как Д. Феррари, Г.Т. Артамонов, О.М, Ерехов, Б.М. Каган, С.М. Майоров, Г.И. Новиков, Т.И. Алиев, Э.И. Махарев, Б.Д. Тимченко и др. тем не менее на сегодняшний день не существует ни единого определения самого термина производительность ВС, ни метода оценки производительности, ни средства. Существует два подхода к оценке производительности ВС: аналитический и эмпирический. Применение аналитического подхода не позволяет получить точных оценок производительности ВС, т.к. при построении математической модели вычислительной системы делается много допущений, что приводит к получению грубых оценок. На практике широкое применение получил эмпирический метод получения оценок производительности, который основан на создании модели рабочей нагрузки ВС. Существует множество прикладных программ, предназначенных для оценивания производительности ВС на тестовых рабочих нагрузках. Данные тестовые нагрузки не соответствуют классу задач, выполняемых

при обработке измерительной информации. Поэтому они не могут быть использованы для оценки производительности ИИС, реализующих программную обработку данных.

Быстродействие ИИС существенно зависит от алгоритма и скорости передачи данных межмодульного интерфейса, в качестве которого сегодня при реализации ИИС на базе персональных компьютеров (ПК) используется высокоскоростная процессорная шина PCI, существенно ограничивающая скорость обработки данных в ИИС. Вопрос влияния задержек процессорной шины на точность измерений слабо исследован.

Модули анализа данных предназначены для реализации алгоритмов цифровой обработки сигналов (ЦОС) (например, БПФ, свертка). Каждый цифровой фильтр характеризуется не только амплитудно-частотными и фазочастотиымн характеристиками, определяющими качества данного фильтра, но и алгоритмом реализации, который в свою очередь определяет временные затраты на выполнение модуля анализа. Вопрос взаимосвязи качества фильтрации и времени реализации цифровых фильтров является слабо изученным.

Таким образом, вопрос исследования взаимосвязи погрешности средства измерения и быстродействия ■ аппаратно-программных модулей на сегодняшний день является открытым, а задача его решения актуальной.

Цель диссертационной работы - разработка алгоритма и средства оценки потенциально реализуемой точности информационно-измерительной системы при аппаратно-программной реализации сбора и обработки измерительной информации на этапе проектирования ИИС с время-импульсным преобразованием (ВИП).

Для этой цели в диссертационной работе необходимо решить следующие задачи:

1. Определить критерий оценки качества работы ИИС с ВИП.

2. Разработать метод и средство оценки быстродействия МП для решения задач ИИС с ВИП.

3. Проанализировать и формализовать вопрос влияния быстродействия процессорной шины PCI на скорость обмена данными между модулями ИИС.

4. Проанализировать влияние параметров цифровых фильтров на погрешность измерений в ИИС с ВИП.

5. Разработать алгоритм оценки потенциальной погрешности ИИС с ВИП с аппаратно-программной реализацией на базе МП при использовании цифровых фильтров.

6. Провести практическую апробацию разработанных теоретических подходов, методов и средств на реальных информационно измерительных системах с ВИЛ.

Основные методы исследования. Результаты исследования, включенные в диссертацию, базируются на теории вероятности, теории случайных функций, теории оптимальных методов радиоприема при флуктуационных помехах, статистической радиотехники, имитационного моделирования, численных методах анализа.

Научная новизна. Научная новизна диссертационной работы в целом заключается в разработке метода анализа потенциально реализуемой погрешности средства измерений с аппаратно-программной реализацией. При этом получены следующие конкретные результаты:

1. Определен закон распределения ошибки первого момента срабатывания порогового обнаружителя в случае помех любой интенсивности.

2. Получено аналитическое выражение для расчета приведенной среднеквадратической погрешности ВИП.

3. Получены аналитические выражения для оценки потенциально реализуемой максимальной частоты дискретизации сигнала при аппаратно-программной реализации обработки измерительной информации.

4. Разработан подход к решению задач оценки производительности МП с точки зрения использования в составе ИИС с ВИП.

5. Разработаны методы оценки погрешности процессорных ИИС с ВИП, реализующих алгоритмы цифровой фильтрации.

Практическая ценность работы. Практическая ценность диссертационной работы заключается в том, что использование результатов исследования и разработок позволяет решить задачу синтеза оптимальной ИИС с аппаратно-программной обработкой информации, определить распределение вычислительных задач между аппаратными и программными модулями на этапе проектирования, определить возможные альтернативные пути достижения требуемой точности в рамках заданной структуры ИИС на этапе проектирования.

При этом основными практическими результатами можно считать следующие:

1. Для заданных типов ЦФ определены математические соотношения между параметрами фильтров и погрешностями измерений.

2. Даны рекомендации по оценке скорости обмена информации посредством шины PCI в зависимости от типа используемого алгоритма передачи данных.

3. Разработаны методы оценки погрешности ИИС с ВИП при использовании МП, реализующих алгоритмы цифровой фильтрации.

4. Разработано программное обеспечение для оценки производительности ПК, моделирующих рабочую нагрузку ИИС с ЦОС.

Достоверность полученных результатов подтверждена результатами экспериментальных исследований.

Реализация результатов диссертационной работы. Результаты диссертации внедрены и использованы на предприятии Филиал ОАО «ВНИИРА» «ВНИИРА-НАВИГАТОР».

Научные положения, выносимые на защиту:

1. Аналитическое выражение для оценки суммарной погрешности измерительных систем с время-импульсным преобразованием для широкого класса входных импульсных сигналов с флюктуационными помехами с заданными корреляционными функциями.

2. Алгоритм синтеза структуры процессорной ИИС ВИП при заданной погрешности измерений.

3, Алгоритм определения погрешности ИИС ВИП, реализованной на заданном наборе программных и аппаратных модулей.

4, Алгоритм распределения вычислительных задач между аппаратными и программными модулями при синтезе ИИС ВИП при заданной погрешности измерений.

Апробация работы. Основные результаты докладывались и обсуждались на ежегодных конференциях профессорско-преподавательского состава СПбГЭТУ, СПб, 2003-2006.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 7 научных статей, из них -3 статьи и 4 депонированных рукописи.

Структура и объем диссертационной работы: Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка используемой литературы, включающего 63 наименования, и одного приложения. Основная часть работы изложена на 136 страшщах машинописного текста. Работа содержит 33 рисунка и 10 таблиц.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность проблемы, определены цель и задачи диссертационной работы, сформулированы основные положения, выносимые на защиту.

В первой главе представлена общая структура измерительной системы с аппаратно-программной обработкой информации (Рис.1). В соответствии с поставленной во введении задачей проектирования ИИС с аппаратно-программной

реализацией ЦОС на базе МП в данной главе рассмотрены проблемы проектирования цифровых ИИС с ВИП. На основе проведенного обзора методов и средств оценки производительности ПК как основного модуля обработки и хранения результатов измерений, определен подход к оценке производительности ПК с целью определения возможности его дальнейшего использования в составе ИИС. Показано, что для получения точных оценок производительности ВС, необходимо использовать экспериментальные методы оценки, основанные на моделировании рабочей нагрузки, разрабатываемых ИИС. В зависимости от алгоритма ЦОС и круга решаемых задача проектируемой ИИС модели рабочих нагрузок будут различными. На основе обзора способов управления ввода-выводом поставлена задача оценки быстродействия шины PCI как межмодульного интерфейса передачи данных для ИИС на базе ПК. Для рассматриваемых ИИС с ВИП определены методы ЦОС (ЦФ). Поставлена задача определения критерия оценки эффективности ИИС реального времени с аппаратно-программной

об^бот1отЯ_ня^)ормации,

Погрешность ВИП

Тип реализации алгоритма ЦОС (аппаратная/ программная)

Рис.!

Во второй главе рассмотрен вопрос оценки погрешности измерений при ВИП, учитывающей аномальные и нормальные ошибки. Получены выражения для расчета суммарной погрешности при равном влиянии аномальных и нормальных ошибок. (Рис.2).

Рис.2

Известно, что погрешности от помех можно рассматривать как два непересекающихся множества с различными вероятностными характеристиками. Тогда суммарная помеховая средняя квадратическая погрешность может определяться как сумма частных средних хвадратических погрешностей:

0)

В литературе приводятся выражения для расчета суммарной погрешности ВИП, при этом не учитываются вероятностные характеристики нормальной погрешности, вызванной сдвигом фронта импульса, т.к. для упрощения считается, что частота среза используемого фильтра согласована с частотными характеристиками сигнала. При выборе неоптимальной частоты среза характер помехи изменяется. В связи с этим было получено аналитическое выражение для расчета нормальной приведенной погрешности ВИП:

л -

(а кЛ)2

] -4-ехр|

Зак

11

(2)

где а - отношение сигнал/шум по амплитуде, Т - длительность импульса, к -коэффициент, характеризующий наклон фронта импульса на уровне порога иа, Л - диапазон измерения интервала времени, Лф - значение производной коэффициента корреляции случайного процесса (помехи) в точке нуль.

На основании полученных зависимостей суммарная погрешность, приведенная к интервалу измерения временного интервала, определена выражением:

(аМ)

(аАЛ)

1-^ехр!

1-

1

•Л

ЗаА

ехр

I Т^Ц У

За к

12

И)2

График зависимости (а)приведен на Рис. 3 для параметров Т^— Щ —10 и относительном пороге срабатывания / = 0.8.

Рис.3

В работе получена аналитическая зависимость суммарной погрешности от порогового отношения сигнал/шум, увеличение которого далее не влияет на значение суммарной погрешности измерительного средства, т.к. аномальная погрешность в этом случае стремится к нулю.

В этом случае определить динамический диапазон измеряемого временного интервала можно по формуле:

* «/ 48 ((а/)2 У, 1 ( За к V)

Полученные зависимости (4) и (5) могут быть использованы для оценки оптимальных параметров ИИС с ВИП, т.к. определяют минимум порогового отношения сигнал/шум, обеспечивающего заданный уровень точности. Дальнейшее увеличение отношения сигнал/шум при проектировании системы приводит к ужесточению требований к быстродействию измерительного комплекса в целом.

В третьей главе рассмотрены проблемы оценки производительности модулей ИИС с аппаратно-программной обработкой измерений. Получен подход к созданию измерительных мониторов для оценки быстродействия ВС в составе

цифровой ИИС, рассмотрен вопрос оценки скорости передачи данных через межмодульный интерфейс при различных механизмах управления передачей данных. Получены аналитические оценки для расчета времени обработки информации.

Быстродействие ИИС сканирующего типа определяется быстродействием каждого модуля системы, а время обработки отсчета сигнала в общем виде определяется как сумма времен выполнения отдельных задач.

функции ПК в измерительной установке весьма многообразны. Одной из самых важных функций является накопление поступающей информации. Во многих случаях объем измерительной информации настолько велик, что ее накопление возможно на жестких дисках. С другой стороны ПК может быть использован для реализации цифровой обработки сигналов и отображения информации на дисплее. Тогда возникает задача оценки быстродействия ПК для решения задач обработки и анализа измерительной информации. Так как функции сохранения и отображения информации должны реализовываться программно, то время выполнения данных задач зависит не только от типа решаемых задач, но и в большей мере от способа создания программы, языка программирования и системы команд процессора. В связи с тем, что на сегодняшний день наиболее широко используемым языком программирования является С++, то было решено создать программное средство для оценки быстродействия ПК при решении задач обработки и анализа измерительной информации на языке программирования С++, а в качестве среды программирования использовать IDE Visual С++.

Разработанное ПО позволяет получать оценки быстродействия ПК при

решении задач ЦОС с точностью е^ = ±0.5—5— ( где - тактовая частота

/CLK

процессора.

В работе проведено исследование параметров, влияющих на скорость сохранения данных d ПК. Показано, что для сохранения данных целесообразно создавать специальное логическое пространство на жестком диске с целью уменьшения времени доступа к информации. При этом показано, что время доступа на жесткий диск является случайной величиной, распределение которой можно считать нормальным. В общем виде математическое ожидание

времени записи данных в файл на жесткий диск описывается выражением:

«[tHDotn + Mbsrv] , («>

TrHDD

где V- объем записываемых данных [байт], T^/DD ~ скорость записи данных на жесткий диск [байт/с], tsrv— «служебное» время, необходимое для открытия и

закрытия доступа к файлу, которое как показало моделирование и носит случайный характер.

Гипотеза о нормальности распределения была проверена с помощью критерия согласия К. Пирсона при уровне значимости ц = ОЛ и была подтверждена в случае

записи данных на свободные диски с файловой системой РАТ32 и ШТ8.

В работе получены оценки частоты дискретизации сигнала для различных механизмов управления передачей данных по межмодульному интерфейсу: в случае программного управления, управления по прерыванию и с помощью прямого доступа в память:

36 fpci

'srv + 'p +

Л

■ + U

'Mp 32

36 /pci

1

У

обр>

Mp

32

обр

(7)

(8)

Mp 32

-r.

обр >

f . 11 -uuy W Jpci ./peí

где ^цос(^) - время выполнения алгоритма ЦОС порядка N, р- разрядность АЦП; д- разрядность сохраняемых данных на ПК, М - число отсчетов сигнала, передаваемых в ПК единовременно, íyid - время вывода данных на экран, ~ частота процессорной шины PCI, Т0др - время обработки данных. Выражения (7),

(8) и (9) определяют оценки математического ожидания интервалов дискретизации сигнала для различных реализаций управления механизмом обмена данных АЦП и ВС: для программного управления, управления по прерыванию и с помощью механизма DMA соответственно.

Полученные оценки представляют практический интерес для инженеров на этапе проектирования ИИС реального времени на базе ВС.

В качестве алгоритмов ЦОС наиболее часто используются цифровые фильтры (ЦФ). Для обнаружения известных сигналов на фоне помех могут быть использованы согласованные фильтры <СФ), а также фильтры нижних частот (ФНЧ), подавляющие помехи в области высоких частот. Суммарная погрешность ВИП определяется отношением сигнал/шум, а степень подавления помех на выходе ЦФ определяется параметрами выбранного ЦФ. В качестве модели случайного процесса, характеризующего помеху, был выбран белый шум. Дисперсия белого шума на выходе ЦФ определяется суммой квадратов импульсной характеристики.

Для СФ в случае, если информационный импульс является гауссовским видеоимпульсом вида:

*(/) = £/техр(-рГ2), (10)

где ит — амплитуда видеоимпульса, Р = • то сумма квадратов импульсной характеристики СФ равна:

01)

где энергия сигнала Рд- частота дискретизации сигнала. Порядок

цифрового СФ определяется выражением N = ^дГ.

ФНЧ Баттерворта обычно реализуются как фильтры с бесконечной импульсной характеристикой (БИХ-фильтры). Для расчета суммы квадратов

импульсной характеристики была получена следующая формула: Л/ _ ЛГ-1ЛГ-1 ЛМ ЛГ

2 Е -£ЬуК[}-1-1] °° ~ 1=0 _¿=0 _/_/+!

(12)

0

¿=7-1 ¿=0

где - коэффициент корреляции сигнала на выходе фильтра. Таким образом, для вычисления дисперсии помехи (белого шума) на выходе БИХ-фильтра задается корреляционная функция белого шума на выходе аналогового фильтра прототипа, что является трудоемкой вычислительной задачей.

В связи с тем, что для выбранных типов ЦФ (ФНЧ Баттерворта, ФНЧ Хэмминга) в литературе отсутствуют выражения для вычисления суммы квадратов импульсной характеристики, данные выражения были получены эксперн ментал ьно.

(4.42Ж„2,* = 1,

^-шлотДлг-г, (1з>

где нормированная частота среза ЦФ, Ы- порядок цифрового ФНЧ

Баттерворта.

По результатам моделирования была получена зависимость оптимального значения порядка фильтра нижних частот Хэмминга для заданного значения нормированной частоты среза ЦФ и погрешности аппроксимации Sw, которая

определяет степень приближения

—со

А^«.»«)-^. 04)

В четвертой главе рассмотрены алгоритмы оценки погрешности ИИС с ВИП при использовании различных алгоритмов ЦОС. На основании результатов второй и третьей глав разработаны алгоритмы синтеза цифровых ИИС заданного класса точности.

Задачу синтеза оптимальной структуры ИИС можно поставить так:

1. выбрать оптимальную структуру ИИС заданной точности , на основе анализа быстродействия отдельных модулей ИИС. В работе такая постановка задачи названа «прямой» задачей. Этапы решения «прямой» задачи приведены на Рис.4.

Решение о реализуемости ИИС заданной точности 5j; должно быть вынесено на основе анализа множества:

где

S(p,q,M,Фс1г],Фа»^п>^vd) ~ определяет задачи ИИС, Фс0-|- тип управления механизмом передачи данных, Фа- аппаратная реализация обработки данных, Фи- программная реализация обработки данных, <Pv<j- отображение информации. Параметры Фа, Фп, ФУ(] характеризуют наличие или отсутствие аппаратной, программной обработки данных в систем, а также наличие отображения информации, в связи с этим данные параметры могут принимать только два значения: 0 и 1.

Рис.4

2, оценить минимально реализуемую погрешность 1ШС на основе анализа быстродействия отдельных модулей ИИС. В работе такая постановка задачи названа «обратной» задачей. Этапы решения «обратной» задачи приведены на Рис.5.

Для выбранных алгоритмов ЦОС определены выражения для выбора оптимальных значений порядков фильтров, значений максимальных частот дискретизации сигнала.

Определение множества

д - [Н, ,3(р, ч, М.Ф^Ф^.Фп, )}

Определение множества

Рис.5

Предложенные в данной работе алгоритмы синтеза оптимальных ИИС, реализующих аппаратно-программную обработку информации и измерения с заданной точностью, позволяют на этапе проектирования оценить требования к быстродействию ИИС и распределить вычисгпггельные задачи между аппаратными и программными модулями.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В диссертационной работе проведено исследование вопроса проектирования цифровых ИИС на базе ВС с аппаратно-программной обработкой информации на примере ИИС с время-импульсным преобразованием и разработаны алгоритмы решения задачи определения потенциальных вычислительных возможностей ИИС с аппаратно-программной обработкой данных.

В результате исследования определены состав модулей устройств ИИС, выполняющих передачу и обработку данных, характеристики сигналов, которые необходимо учитывать при расчете показателей точности, и предложены алгоритмы расчета, позволяющие оценить точность и осуществить обоснованный выбор указанных модулей при проектировании реальных ИИС.

1. получено замкнутое аналитическое выражение для оценки суммарной погрешности ВИЛ от отношения «сигнал/шум» и порога обнаружения для суммы видеоимпульса и нормального стационарного дифференцируемого процесса. В отличие от известных аналитических выражений для расчета суммарной погрешности, приведенное в работе выражение является обобщением полученных ранее результатов, поэтому его можно использовать для любых видов импульсных сигналов и помех с заданной корреляционной функцией. Также приведены аналитические выражения для определения оптимальных параметров ИИС ВИП с пороговым отбором (отношение сигаал/щум, интервал измерения), минимизирующих суммарную погрешность средства измерения. Для случая многократных измерений определена зависимость суммарной средне квадратической погрешности от числа измерений.

2. Разработано программное средство для получения оценок производительности ВС с целью реализации программной обработки данных. Для выделенного класса функций, реализуемых ИИС, определены вероятностные характеристики времени выполнения отдельных задач. В работе приведено обоснование выбора программного измерительного монитора для измерений скорости выполнения задач анализа и обработки данных и показано, что результаты измерения с помощью программного монитора соответствуют спецификациям процессоров, для которых проводилось тестирование. В связи с этим представляется возможным использование данного монитора для создания средств по оценке быстродействия ВС.

Определены аналитические выражения для расчета максимальной пропускной способности интерфейса передачи данных на примере процессорной шины PCI для трех вариантов механизма обмена данными: для прямого доступа в память, программного управления и управления по прерыванию. Получены аналитические выражения для расчета максимально реализуемой частоты дискретизации сигнала в зависимости от используемого механизма передачи данных.

3. Методом имитационного моделирования получены зависимости для расчета характеристик случайных процессов на выходе цифровых фильтров. В литературе приводятся алгоритмы расчета коэффициентов ЦФ для заданных передаточных функции фильтров, при этом опускается вопрос замкнутых

аналитических выражений, например, для расчета суммы квадратов импульсной характеристики. В связи с этим для известных ЦФ, прототипом которых являются аналоговые фильтры Багггерворта, получено аналитическое выражение для расчета суммы квадратов импульсной характеристики. Для цифровых фильтров с конечной импульсной характеристикой, синтезированных с помощью окон Хэмминга, получено выражение для расчета оптимального порядка фильтра, а также суммы квадратов импульсной характеристики. Для согласован!шх цифровых фильтров приведены аналитические выражения для расчета дисперсии белого шума на выходе ЦФ, а также приведены рекомендации по выбору уровней квантования сигнала.

4. Разработаны алгоритмы оценки требуемого быстродействия ИИС заданной точности и механизма распределения вычислительных задач на этапе проектирования. Поставлена «прямая» задача н «обратная». Решение прямой и обратной задач основано на эксп ериментальном определении индексов производительности системы и точности измерений на первом этапе. На основании аналитических выражений, приведенных в работе для расчета суммарной погрешности средства измерения, вычисляются параметры ЦФ. Предложенный в работе метод оценки распределения вычислительных задач, позволяет оценить возможность выбора оптимальной структуры комплекса и определить распределение вычислительных задач

Список публикаций по теме диссертация

1. Комшилова К.О. Погрешность измерения телеизмерительных систем ВИМ// Приборостроение и информационно-измерительные системы. Известия СПбГЭТУ «ЛЭТИ». - 2006.-С.51-58.

2. Комшилова К.О. Оценка быстродействия КИХ-фнльтра с программной обработкой результатов измерений// Вестн. метрологнч. академии. - СПб., 2006,— Вып.17. -С.35-42.

3. Комшилова К.О. Оценка минимально реализуемой погрешности измерений для ИИС с программной обработкой информации с помощью БИ Х-фил ьтров7 Комшилова К.О.; С.-Петербургск.гос.электротехн.ун-т.-СПб, 2006. -7 с.-Библиогр.8 пазв. - Рус. - Деп. в ВИНИТИ 29.06.2006 №876-В2006.

4. Комшилова К.О. Опенка быстродействия БИХ-фильтров с программной обработкой результатов измерений/ Комшилова К.О.; С.-Петербургск. гос. электротехн, ун-т. — СПб., 2006. — 9 е.: ил. — Библиогр.8 назв. - Рус. - Деп. в ВИНИТИ 29.06.2006 Л°875-В200б.

5. Комшилова К.О. Методы оценки быстродействия К ИХ-фильтров для ИИС с программной обработкой результатов измерений/ Комшилова К.О.; С.-Петербурге к. гос. электротехн. ун-т. - СПб., 2006. - 10 е.: ил, - Библиогр.8 назв. - Рус. - Дел. в ВИНИТИ 29.06.2006 №877-В200б.

6. Комшилова К.О. Оценки минимально реализуемой погрешности измерений для ИИС с программной обработкой информации с помощью КИХ-фильтров/ Комшилова К.О.; С.-Петербургек.гос.электротехн.ун-т. - СПб., 2006. -9с. - Библио1р,8 назв. - Рус. - Деп. в ВИНИТИ 29.06.2006 №878-В200б.

7. Авдеев Б Л., Комшилова К.О. Некоторые оценки производительности вычислительных средств для ИИС реального времени // Вести, метрологич. академии. - СПб., 2006.- Вып. 17. -С.78-83,

Подписано в печать 24.11.06. Формат 60*84 1/16. Бумага офсетная. Печать офсетная. Печ. л. 1,0. Тираж 100 экз. Заказ 130.

Отпечатано с готового оригинал-макета в типографии Издательства СПбГЭТУ "ЛЭТИ"

Издательство СПбГЭТУ "ЛЭТИ" 197376, С.-Петербург, ул. Проф. Попова, 5

Список сокращений.

Введение.

Глава 1. Проблемы проектирования цифровых ИИС.

1.1 Принципы построения современных ИИС. ИИС с время-импульсным преобразованием.

1.2 Анализ быстродействия модулей процессорных ИИС.

1.2.1 Анализ методов и средств оценки производительности ВС как средств ЦОС.

1.2.2 Производительность шины PCI как межмодульного интерфейса передачи данных в ИИС.

1.3 Цифровая обработка сигналов.

1.4 Постановка задачи.

Выводы.

Глава 2. Погрешность результатов измерений ИИС с ВИП.

2.1 Анализ нормальной погрешности ВИП.

2.2 Анализ аномальной погрешности.

2.3 Оценка суммарной погрешности ВИП.

2.4 Погрешность ВИП при многократных измерениях.

2.5 Анализ алгоритмов цифровой фильтрации для обработки сигналов в ИИС с ВИП.

2.5.1.Погрешность ВИП при использовании цифровых согласованных фильтров.

2.5.2 Погрешность ВИП при использовании цифровых БИХ фильтров

2.5.3 Погрешность ВИП при использовании цифровых КИХ фильтров. 62 Выводы.

Глава 3. Определение быстродействия процессорных ИИС.

3.1 Выбор программного измерительного монитора.

3.2 Закон распределения времени записи данных на жесткий диск.

3.3 Оценка времени отображения информации.

3.4 Временные затраты на передачу данных.

3.4.1 Программное управление передачей данных и передача данных по прерыванию.

3.4.2 Передача данных по прямому доступу в память.

Выводы.

Глава 4. Разработка алгоритмов синтеза и анализа оптимальной структуры

ИИС с ВИП заданной точности.

4.1 Алгоритм выбора структуры ИИС при решении прямой задачи оценки производительности ИИС.

4.2 Алгоритм выбора структуры ИИС при решении обратной задачи оценки производительности ИИС.

4.3 Алгоритм решения прямой задачи синтеза ИИС с аппаратно-программной ЦОС при использовании алгоритмов СФ.

4.4 Алгоритм решения прямой задачи синтеза ИИС с аппаратно-программной ЦОС при использовании алгоритмов БИХ-фильтров.

4.5 Алгоритм решения прямой задачи синтеза ИИС с аппаратно-программной ЦОС при использовании алгоритмов КИХ-фильтров.

4.6 Алгоритм решения обратной задачи синтеза ИИС с аппаратно-программной ЦОС при использовании алгоритмов СФ.

4.7 Алгоритм решения обратной задачи синтеза ИИС с аппаратно-программной ЦОС при использовании алгоритмов БИХ-фильтров.

4.8 Алгоритм решения обратной задачи синтеза ИИС с аппаратно-программной ЦОС при использовании алгоритмов КИХ-фильтров.

4.9 Пример решения обратной задачи.

Выводы.

Современное развитие вычислительной техники, которое в первую очередь связано с появлением быстродействующих процессорных систем, дает возможность создания информационно-измерительных систем (ИИС) на базе вычислительных систем (ВС) для обработки информации в научных исследованиях, для контроля в производственных технологических процессах и технологических испытаниях. При этом ИИС является аппаратно-программным комплексом, в котором задачи сбора, анализа и отображения информации распределены между аппаратными и программными модулями.

Системы, проектируемые на базе ВС, включают в себя три блока: сбор, анализ и отображения информации. Так как ИИС являются средствами измерений и предназначены для получения количественной информации об исследуемых параметрах, то важнейшем показателем при использовании этих систем, является точность, характеризуемая погрешностью результатов измерений. Погрешность ИИС с аппаратно-программной обработкой результатов измерений определяется скоростью работы каждого из перечисленных блоков. Поскольку в данной работе ИИС рассматривается как аппаратно-программный комплекс, то для определения погрешности ИИС необходимо решить вопрос оценки быстродействия каждого из перечисленных модулей. В частности, блок отображения и анализа информации может быть реализован программно в ВС. Тогда желательно оценить временные затраты на выполнение данных задач в ВС. Несмотря на то, что вопрос оценки производительности ВС неоднократно поднимался в литературе такими авторами как Д. Феррари, Г.Т. Артамонов, О.М. Брехов, Б.М. Каган, С.М. Майоров, Г.И. Новиков, Т.И. Алиев, Э.И. Махарев, Б.Д. Тимченко и др., на сегодняшний день не существует ни единого определения самого термина производительность ВС, ни метода оценки производительности, ни средства.

На точность измерений особо влияют параметры межмодульного интерфейса, в качестве которого сегодня при реализации ИИС на базе ВС используется высокоскоростная процессорная шина PCI, существенно ограничивающая в некоторых случаях скорость обработки данных в ИИС. Вопрос влияния задержек процессорной шины на точность измерений слабо исследован.

Модули анализа данных предназначены для реализации алгоритмов цифровой обработки сигналов (ЦОС) (например, БПФ, свертка). Каждый цифровой фильтр характеризуется не только амплитудно-частотными и фазо-частотными характеристиками, определяющими качество данного фильтра, но и алгоритмом реализации, который в свою очередь определяет временные затраты на выполнение модуля анализа. Вопрос взаимосвязи качества фильтрации и времени реализации цифровых фильтров является слабо изученным.

Таким образом, вопрос исследования взаимосвязи погрешности средства измерения и быстродействия аппаратно-программных модулей на сегодняшний день является открытым, а задача его решения актуальной.

Цель диссертационной работы - разработка метода и средства оценки потенциально реализуемой точности информационно-измерительной системы при аппаратно-программной реализации сбора и обработки измерительной информации на этапе проектирования ИИС с время-импульсным преобразованием (ВИЛ).

Для этой цели в диссертационной работе необходимо было решить следующие задачи:

• определить критерий оценки качества работы ИИС с ВИЛ;

• разработать метод и средство оценки быстродействия ВС для решения задач ИИС с ВИЛ;

• проанализировать и формализовать вопрос влияния быстродействия процессорной шины PCI на скорость обмена данными между модулями ИИС;

• проанализировать влияние параметров цифровых фильтров на качество измерений в ИИС с ВИЛ;

• разработать метод и средство оценки потенциальной погрешности ИИС с ВИЛ с аппаратно-программной реализацией на базе ВС при использовании цифровых фильтров;

• провести практическую апробацию разработанных теоретических подходов, методов и средств на реальных информационно-измерительных системах с ВИЛ.

Основные результаты и выводы по работе

1. Получено замкнутое аналитическое выражение для оценки зависимости суммарной погрешности ВИП от отношения «сигнал/шум» и порога обнаружения для суммы видеоимпульса и нормального стационарного дифференцируемого процесса. В отличие от известных аналитических выражений для расчета суммарной погрешности, приведенное в работе выражение является обобщением полученных ранее результатов, поэтому его можно использовать для любых видов импульсных сигналов и помех с заданной корреляционной функцией. Также приведены аналитические выражения для определения оптимальных параметров ИИС ВИП с пороговым отбором (отношение «сигнал/шум», интервал измерения), минимизирующих суммарную погрешность средства измерения. Для случая многократных измерений определена зависимость суммарной среднеквадратической погрешности от числа измерений.

2. Разработано программное средство для получения оценок производительности ВС с целью реализации программной обработки данных. Для выделенного класса функции, реализуемых ИИС, определены вероятностные характеристики времени выполнения отдельных задач. В работе приведено обоснование выбора программного измерительного монитора для измерения скорости выполнения задач анализа и обработки данных и показано, что результаты измерения с помощью программного монитора соответствуют спецификациям процессоров, для которых проводилось тестирования. В связи с этим представляется возможным использование данного монитора для создания средств по оценке быстродействия микропроцессорных систем.

Определены аналитические выражения для расчета максимальной пропускной способности интерфейса передачи данных на примере процессорной шины PCI для трех вариантов механизма обмена данными: для прямого доступа в память, программного управления и управления по прерыванию. Получены аналитические выражения для расчета максимально реализуемой частоты дискретизации сигнала в зависимости от используемого механизма передачи данных.

3. Методом имитационного моделирования получены зависимости для расчета характеристик случайных процессов на выходе цифровых фильтров. В литературе приводятся алгоритмы расчета коэффициентов ЦФ для заданных передаточных функции фильтров, при этом опускается вопрос замкнутых аналитических выражений, например, для расчета суммы квадратов импульсной характеристики. В связи с этим для известных ЦФ, прототипом которых являются аналоговые фильтры Баттерворта, получены аналитические выражения для расчета суммы квадратов импульсной характеристики. Для цифровых фильтров с конечной импульсной характеристикой, синтезированных с помощью окон Хэмминга, получено выражение для расчета оптимального порядка фильтра, а также суммы квадратов импульсной характеристики. Для согласованных цифровых фильтров приведены аналитические выражения для расчета дисперсии белого шума на выходе ЦФ, а также приведены рекомендации по выбору уровней квантования сигнала.

4. Разработаны алгоритмы оценки требуемого быстродействия ИИС заданной точности и механизма распределения вычислительных задач на этапе проектирования. Поставлены прямая и обратная задачи. Решение прямой и обратной задач основано на экспериментальном определении индексов производительности системы и точности измерений на первом этапе. На основании аналитических выражений, приведенных в работе для расчета суммарной погрешности средства измерения, вычисляются параметры ЦФ. Предложенный в работе алгоритм распределения вычислительных задач, позволяет оценить возможность выбора оптимальной структуры измерительного комплекса.

По основным результатам работы было опубликовано 7 научных работ, из них - 3 статьи и 4 депонированных рукописи:

1. Комшилова К.О. Погрешность измерения телеизмерительных систем BUM// Приборостроение и информационно-измерительные системы. Известия СПбГЭТУ «ЛЭТИ». - 2006.-С.51-58.

2. Комшилова К.О. Оценка быстродействия КИХ-фильтра с программной обработкой результатов измерений// Вестн. метрологич. академии. - СПб., 2006 - Вып. 17. -С.35-42.

3. Авдеев Б.Я., Комшилова К.О. Некоторые оценки производительности вычислительных средств для ИИС реального времени // Вестн. метрологич. академии. - СПб., 2006 - Вып.17. -С.78-83

4. Комшилова К.О. Оценка минимально реализуемой погрешности измерений для ИИС с программной обработкой информации с помощью БИХ-фильтров./ Комшилова К.О.; С.-Петербургск.гос.электротехн.ун-т.-СПб, 2006. - 7 с. - Библиогр.8 назв. - Рус. - Деп. в ВИНИТИ 29.06.2006 №876-В2006.

5. Комшилова К.О. Оценка быстродействия БИХ-фильтров с программной обработкой результатов измерений/ Комшилова К.О.; С.-Петербургск. гос. электротехн. ун-т. - СПб., 2006. - 9 е.: ил. - Библиогр.8 назв. - Рус. - Деп. в ВИНИТИ 29.06.2006 №875-В2006.

6. Комшилова К.О. Методы оценки быстродействия КИХ-фильтров для ИИС с программной обработкой результатов измерений/ Комшилова К.О.; С.-Петербургск. гос. электротехн. ун-т. - СПб., 2006. - 10 е.: ил. - Библиогр.8 назв. - Рус. - Деп. в ВИНИТИ 29.06.2006 №877-В2006.

7. Комшилова К.О. Оценки минимально реализуемой погрешности измерений для ИИС с программной обработкой информации с помощью КИХ-фильтров/ Комшилова К.О.; С.-Петербургск.гос.электротехн.ун-т. -СПб., 2006. - 9с. - Библиогр.8 назв. - Рус. - Деп. в ВИНИТИ 29.06.2006 №878-В2006.

Заключение

В диссертационной работе проведено исследование вопроса проектирования цифровых ИИС с время-импульсным преобразованием на базе ВС с аппаратно-программной обработкой информации и разработаны алгоритмы решения задачи определения потенциальных вычислительных возможностей ИИС с аппаратно-программной обработкой данных.

В результате исследования определены состав модулей устройств ИИС, выполняющих передачу и обработку данных, характеристики сигналов, которые необходимо учитывать при расчете показателей точности, и предложены алгоритмы расчета, позволяющие оценить точность и осуществить обоснованный выбор указанных модулей при проектировании реальных ИИС.

1. Основы метрологии и электрических измерений. Л.:Энергоатомиздат, 1987.

2. Цапенко М. П. Измерительные информационные системы. М.: Энергия, 1974.

3. Авдеев Б.Я., Антонюк Е.М., Долинов С.М. и др. Адаптивные телеизмерительные системы. Л.: Энергоиздат, 1981.

4. Шастова Г.А. Кодирование и помехоустойчивость передачи телемеханической информации. М.: Энергия, 1966.

5. Новоселов О.Н., Фомин А.Ф. Основы теории и расчета информационно-измерительных систем. М.: Машиностроение, 1980.

6. Авдеев Б.Я., Белоусов В.В., Брусаков И.Ю., Кон Е.Л., Пыко С.М. и др. Цифровые адаптивные информационно-измерительные системы. Санкт-Петербург: Энергоатомиздат, 1997.

7. Авен О.И., Турин Н.Н., Коган А.Я. Оценка качества и оптимизация вычислительных систем. М.:Наука, 1982.

8. Феррари Д. Оценка производительности вычислительных систем. М.:Мир, 1981.

9. Артамонов Г.Т. Анализ производительности ЦВМ методами массового обслуживания. М.:Энергия, 1971.

10. Ю.Ларионов A.M. Вычислительные комплексы, системы и сети. М.'.Энергоатомиздат, 1987.

11. Летичевский А. А., Капитонова Ю.В. Математическая теория проектирования вычислительных систем. М.:Наука, 1988.

12. Драмон Д. Методы оценки и измерений дискретных вычислительных систем. М.:Мир, 1977.

13. З.Майоров С.А. основы теории вычислительных систем. М.:Высшая школа, 1978.

14. М.Каган Б.М. Электронные вычислительные машины и системы. М.:Энергоатомиздат, 1985.

15. Aaron В. Brown, Margo I.Seltzer Operating system benchmarking in the wake of Lmbench: A case study of the performance of NetBSD on the Intel x86 Architecture, Harward University.

16. Yasuhiro Endo, Zheng Wang, J. Bradley Chen, Margo I.Seltzer Using latency to evaluate interactive system performance. Harward University, Division of Engineering and Applied Sciences.

17. П.Головкин Б.А. Расчет характеристик и планирование параллельных вычислительных процессов. М.:Радио и Связь, 1983.

18. Питерсон Дж. Теория сетей Петри и моделирование систем. М.:Мир, 1986.

19. Лебедев А.Н., Чернявский Е.А. Вероятностные методы в вычислительной технике. М.:Высшая школа, 1986.

20. Клейнрок JI. Вычислительные системы с очередями. М.:Мир, 1978.

21. Башарин Г.П., Бочаров П.П., Коган А .Я. Анализ очередей в вычислительных сетях. М.:Наука, 1989.

22. Шеннон Р. Имитационное моделирование систем искусство и наука. М.:Мир, 1978.

23. Ладенко И.С. Имитационные системы. М.:Наука, 1981.

24. Киндлер Е. Языки моделирования. М.:Энергоатомиздат, 1985.

25. Цапенко М.П. Измерительные информационная техника. М.: Энергоатомиздат, 1985.

26. Финогенов К.Г. Программирование измерительных систем реального времени. М.: Энергоатомиздат, 1990.

27. Володин А.Ю., Горбачев С.В., Шейнин Ю.Е. Шина PCI в высокопроизводительных микропроцессорных системах. Санкт-Петербург, 1999.

28. Т. Shanley, D.Anderson. PCI System Architecture. Mind Share, 1999.

29. Е. Finkelstein, S.Weiss Microprocessor system buses: A case study. Journal of System Architecture, 1999, №45.

30. E. Finkelstein, S.Weiss. A PCI bus simulation framework and some simulation results on PCI standard 2.1 latency limitations. Journal of System Architecture, 2002, №47.

31. PCI Local Bus Specification. Production Version Revision 2.1.

32. Рабинер P., Гоулд Б. Теория и применение цифровой обработки сигналов. М: Мир, 1978.

33. Богнер Р., Константинидис А. Введение в цифровую фильтрацию. М:Мир, 1976.

34. Куприянов М.С., Матюшкин Б.Д. Цифровая обработка сигналов. Санкт-Петербург:Политехника, 2000.

35. Гольденберг Л.М., Матюшкин Б.Д., Поляк М.Н. Цифровая обработка сигналов. М.:Радио и связь, 1985.

36. Брюханов Ю.А., Приоров A.JI. Цифровые фильтры. Ярославль, 2002.

37. Цикин И.А. Радиотехнические системы передачи информации. Оптимальная обработка сигналов в радиосистемах. JL, 1975.

38. Лихарев В.А. Цифровые методы и устройства в радиолокации. М.:Сов.Радио, 1973.

39. Гоноровский И.С. Радиотехнические цепи и сигналы. М.:Радио и Связь, 1986.

40. Фремке А.В. Телеизмерения. М.:Высшая школа, 1975.

41. Мановцев А.П. Основы теории радиотелеметрии. М.: Энергия, 1973.

42. Престон Ж., Гарднер Р. Вопросы радиолокационной техники, Влияние шума на генераторы пусковых импульсов, 1954, № 4, с.31-38.

43. Тихонов В. И. Нелинейные преобразования случайных процессов. М.: Радио и связь, 1986.

44. Тутевич В. Н. Телемеханика. М.:Энергия, 1985.

45. Каширин В. А., Шастова Г. А. Помехоустойчивость телеизмерений. М.:Радио и связь, 1960.

46. Тихонов В. И. Выбросы случайных процессов. М.: Наука, 1966.

47. Нарышкин А.К., Дубянский А.С. Плотности вероятности перехода через ноль смеси сигнала/шум. Радиотехника, 1971, №9.

48. Гутник JI.C. Теория оптимальных методов приема при флуктуационных помехах. М., 1972.

49. Лезин Ю.С. Оптимальные фильтры и накопители импульсных сигналов. М.:Сов.Радио, 1969.

50. Тихонов В.И. Статистическая радиотехника, М.: Радио и связь, 1982.

51. Фомин Я.А. Теория выбросов случайных процессов. М.: Связь, 1980.

52. Крис Касперски. Техника оптимизации программ. СПб:БХВ-Петербург, 2004.

53. Agner Fog. How to optimize for the Pentium family of microprocessors. http://www.agner.org/assem/pentopt.pdf.

54. IA-32 Intel® Architecture Optimization Reference Manual, Order Number: 248966-012, June 2005.

55. Жданов А.А. Современный взгляд на ОС реального времени. Мир компьютерной автоматизации. 1999, №1.

56. Акулич И.Л. Математическое программирование в примерах и задачах. М.:Высшая школа, 1986.

57. Ашманов С.А., Тимохов А.В. Теория оптимизации в задачах и упражнениях. М.: Наука, 1991.

58. Баскаков С.И. Радиотехнические цепи и сигналы. М.: Высшая школа, 1983.

59. Сергиенко А.Б. Цифровая обработка сигналов. СПб:Питер, 2003.

60. Каппелини В., Константинидис А. Дж, Эмилиани П. Цифровые фильтры и их применение. М.: Энергоатомиздат, 1983.

61. Гамкрелидзе С.А., Завьялов А.В., Мальцев П.П., Соколов В.Г. Цифровая обработка информации на основе быстродействующих БИС. М.: Энергоатомиздат, 1988.

62. Шибаев С.В. Проблемы и методы повышения производительности цифровых сигнальных процессоров при решении задач цифровой обработки сигналов в реальном времени. Радиотехника, №9,2005.

63. Глинченко С.Г. Цифровая обработка сигналов. Красноярск, 2001.