автореферат диссертации по приборостроению, метрологии и информационно-измерительным приборам и системам, 05.11.05, диссертация на тему:Совершенствование микропроцессорных измерительных приборов на основе алгоритмических методов повышения точности и быстродействия

Саш - Петербургский государственный технический университет РГб фд На правах рукописи

ФОМИН Андрей Анатольевич |

УДК 621.317.7:681.2:681.325.5

СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ МИКРОПРОЦЕССОРНЫХ ИЗМЕРИТЕЛЬНЫХ ПРИБОРОВ НА ОСНОВЕ АЛГОРИТМИЧЕСКИХ МЕТОДОВ ПОВЫШЕНИЯ ТОЧНОСТИ И БЫСТРОДЕЙСТВИЯ

Специальность 65.11.05 - Приборы и методы измерения электрических и магнитных величин

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Санкт - Петербург 1994

Работа выполнена в Санкт - Петербургском государственной техническом университете.

Научный руководитель: доктор технических наук, ,

профессор Кнорринг В. Г, Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор Хондрашкова Г. А. кандидат технических наук, старший научный сотрудник Иванов А. В. Ведушая организация: НТЦ атмосферного мониторинга

"Атмон" государственной геофизической обсерватории (г, Санкт - Петербург!.

Зашита состоится 16 Февраля 1995 года в часов на заседании диссертационного совета Д063.38.11 в Санкт-Петербургском государственном техническом университете^по адресу: 195251, г. Санкт-Петербург, Политехническая ул, , 29, -главное- здание, ауд. ^Ji с диссертацией можно ознакомитьсягв фундаментальной библиотеке университета,

Автореферат разослан января 1995 года. Ученый секретарь диссертационного совета,

кандидат технических наук, доцент ' c.b.Молоткое

/

СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ МИКРОПРОЦЕССОРНЫХ ИЗМЕРИТЕЛЬНЫХ ПРИБОРОВ НА ОСНОВЕ АЛГОРИТМИЧЕСКИХ ИЕТОДОВ ПОВШЕНИЯ ТОЧНОСТИ И БЫСТРОДЕЙСТВИЯ.

ОБЮАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ.

Актуальность.

Более чем двадцатилетняя история развития микропроцессоров (МП) и микропроцессорных измерительных приборов (МИН) является одновременно историей борьбы за повышение их точности и быстродействия. При этом, наряду с экстенсивным наращиванием вычислительных мощностей МП (увеличение разрядности, повышение тактовой частоты), постоянно развиваются математические и программные методы повышения точности обработки измерительной информации при сохранении высокого быстродействия.

Несмотря на большое число работ, посвяшенных как самим вычислительным методам повышения качества средств измерений, так и вопросам использования МП для этих целей - среди них можно выделить работы Т. М, Алиева, Н. С. Анишина, п. А. Арутюнова, И. М, Вишенчука, В. С. Гутникова, в. ю. Кнеллера, к. Л Куликовского, А, И, Мелик-Шахназарова, Г. Я. Мирского, П. П. Орнатского, Ю.Н. Туза, Э. И, Цветкова, Б. И. Швецкого и др. - вопросы программно-математического или алгоритмического повышение точности или быстродействия применительно к малогабаритным, переносным МИП широкого применения для измерения Физических величин по электрическим сигналам датчиков остаются весьма актуальными.

Основные пути совершенствования точностных характеристик МИП связаны с улучшением методов программной линеаризации характеристик первичных преобразователей, фильтрации помех и шумов, автоматической коррекции систематических погрешностей, а также с интеллектуализацией измерительные устройств, совершенствованием средств разработки и отладки их программного обеспечения (ПО).

Цель работа.

Настояшая работа посвяшена развитию существующих и разработке новых математических и. программных методов повышения точности и быстродействия современных НИП с учетом требований и ограничений, свойственных электрическим приборам, для измерения неэлектрических величин, анализу методических погрешностей, возникающих в результате применения МП в составе таких приборов и поиску возможных

1

путей их снижения, а также развитию методов и средств отладки МИП. Для достижения этой цели в диссертации решаются следующие задачи :

1. Исследование совместного влияния процедур линеаризации, коррекции и Фильтрации на величину систематической погрешности измерительного прибора. Разработка и исследование способов снижения указанной погрешности.

г. Разработка и исследование методов оптимальной и адаптивной цифровой Фильтрации в МИП для подавления широкополосных и периодических помех. Разработка и обоснование быстрых алгоритмов для цифровых ш-фильтров.

3. Развитие методов программной линеаризации характеристик преобразования НИП.

4. Анализ и развитие методов введения программной термокоррекции в МИП (на примере микропроцессорного толщиномера и лабораторных весов).

5. Разработка структур, ПО и средств отладки НИП для измерения толшины, массы и др., Реализующих предложенные технические решения, практическая их проверка и внедрение в промышленность,

Нетоды исследований.

Методы исследований основаны на теории погрешностей, аппарате линейной алгебры, математической статистики и численного анализа с использованием математического моделирования.

Научная новизна.

1. Предложен алгоритм расчета быстрого оптимального Фильтра Винера для выделения постоянного сигнала на Фоне гармонической помехи за время, меньшее периода помехи. Показана возможность реализации аналогичного адаптивного Фильтра. Предложены структуры параллельного адаптивного КИХ-Фильтра и КАНБ-Фильтра, позволяющие снизить коэффициент расстройки и уменьшить тем самым систематическую погрешность смешения Фильтра. Получена оценка их максимального яомехоподавления.

2. Исследованы способы программной линеаризации характеристик КИП, Предложены различные методы повышения точности для линеаризации на основе кусочно-линейной аппроксимации (КЛА). Для сокращения объема вычислений и сохранения ПО алгоритма КЛА при переходе на кусочно-параболическую аппроксимацию предложено использовать представление параболы через инвариант,

3. На основе анализа наиболее чувствительных к температурным

воздействиям узлов электронной схемы разработаны методы введения термокоррекции в микропроцессорный толщиномер и лабораторные весы.

4. На примере микропроцессорного толщиномера рассмотрены пути и возможности повышения активной роли КИП в процессе измерения.

Практическая ценность работы :

1. Разработан пакет программ на языке НАТЬАВ для моделирования и расчета характеристик оптимального и адаптивного цифрового Фильтра. С помошью данного пакета получены оценки эффективности применения оптимальных и адаптивных КИХ-Фильтров в зависимости от вида помех (на примере микропроцессорных лабораторных весов).

2. Разработан пакет программ для моделирования и реализации алгоритмов К/1А повышенной точности, Предложен эффективный ассемблерный модуль КЛА для КИП.

3. Разработаны и приведены быстрые программы вычисления квадратного корня на языках ассемблера и С, использующие алгоритмы СОШС-ариФметики, дана оценка их точности в зависимости от быстродействия.

4. Полностью разработаны принципиальные схеии и пакеты программ микропроцессорных цифровых весов с термокоррекцией, микропроцессорного толщиномера, лабораторного стенда для измерения механических характеристик паротурбинных агрегатов черной металлургии и микропроцессорного озрнометра, измерительно-отладочного комплекса со встроенным программатором и эмулятором ППЗУ.

Реализация результатов работы. Результаты диссертационной работы использованы в микропроцессорном толщиномере, разработанном по техническому заданию Бобруйского завода "Весоприбор", в лабораторном стенде для измерения механических характеристик паротурбинных агрегатов (СПбГГУ), микропроцессорном озонометре (смоленское ПО "Аналитприбор"). Измерительно-отладочный комплекс внедрен на предприятиях "Вектор" и ЛОНИИС (СПб.), используется при выполнении НИР и в учебном процессе в СПбГТУ.

Апробация работы. Основные результаты работы были доложены на Всесоюзной научно-технической конференции "ИИС-89" (Ульяновск), Всесоюзной научно-технической конференции "Микропроцессорные системы автоматики" (Новосибирск, 1990 г.), IV Всесоюзной научно-технической выставке "Контроль толшины покрытий и его метрологическое обеспечение" (Ижевск, 1990 г.), Международном симпозиуме-выставке "Аппаратные и программные средства организации и управления

3

производством" (Ленинград, 1990 г.), Всесоюзной конференции "Современное состояние аналитического приборостроения в области анализа газовых сред и радиоспектроскопии" (Смоленск, 1991 г.), Всесоюзной научно-технической конференции "Методология измерений" (Ленинград, 1991 г.), Республиканском научно-техническом семинаре "Методы и технические средства зашиты информации" (Санкт-Петербург, 1993 г.).

Публикации. По теме диссертационной работы опубликовано И печатных трудов, в том числе одно авторское свидетельство. Материалы диссертации вошли в отчеты по НИР кафедры ИИТ ЛГТУ.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы и приложений. Обший объем работы 226 стр,, в том числе 38 рисунков, 23 таблицы, 28 стр. приложений. Список использованной литературы включает 105 наименований.

СОДЕРЯСАНИЕ РАБОТЫ.

Во введении обоснована актуальность темы диссертационной работы, сформулирована ее цель. Дан перечень основных научных и практических результатов.

В первой главе рассматривается состояние и перспективы развития элементной базы отечественных и зарубежных МИП, анализируются основные погрешности, присушие самому широкому классу измерительных приборов, проводятся оценка и сравнение различных методов снижения этих погрешностей с точки зрения возможностей программной реализации.

Современные 8-16-разрядные микропроцессоры и однокристальные микроэвм (ОЭВМ), применяемые в измерительной технике, имеют производительность 0, 5-3 млн. простых операций в секунду, что позволяет выполнять 250-1000 сложений/умножений в секунду в Формате с плавающей запятой. Использование сопроцессоров и цифровых сигнальных процессоров повышает это значение в 100-1000 раз, но значительно усложняет программную и аппаратную часть, снижает гибкость и ведет к удорожанию системы,

Следовательно, необходимость развития и применения программных методов быстрой ' обработки сигналов может быть подтверждена следующими положениями :

- применение в микроконтроллерах (МК) программных методов ускоренных вычислений позволяет создавать недорогие и гибкие измери-4

ельные приборы при невысоких аппаратных и программных затратах,

- благодаря программной реализации процедур быстрой обработки езультатов, появляется возможность легко модернизировать имеющийся арк нип и создавать унифицированные аппаратные модули для новых зделий,

- в основе разработки специализированных процессоров и кодов икропрограмм также лежат методы ускоренных вычислений, которые и ;озволяют достичь высоких технических показателей.

Основными методами уменьшения систематической погрешности ИП (вляются линеаризация характеристики преобразования первичного пре-'бразователя и проведение периодических калибровок ИП с последующим юушествлением коррекции результата.

Наиболее распространенным методом линеаризации является кусоч-ю-линейная аппроксимация. К ее достоинствам следует отнести про-:тоту аппаратной или программной реализации и высокое быстродей-:твие, практически не зависящее от количества узлов градуировочной сривой.

Наиболее прогрессивным, но и сложным для технического зоплошения, можно считать использование при линеаризации Функции 1реобразования мип метода наименьших квадратов ШНК). как это :делано в толщиномерах Dermitron D-3000-Plus Фирмы UPA Technology Division (США). Благодаря МНЕ появляется возможность использовать многоточечную калибровку по сколь угодно большому набору стандартов голшины с одновременной линеаризацией.

■ Сравнительный анализ трех основных методов автоматической <оррекции систематической''погрешности - метода вспомогательных измерений (НВЮ, итерационного метода и метода образцовых сигналов (ИОС) с разновидностью в виде тестового метода, - показал, что яаиболее распространенным из них применительно к измерительным приборам для измерения Физических величин . является НОС. Однако с развитием программно-аппаратной базы НИП все большее значение приобретает иви, не требующий образцовых мер, практически не удлиняющий время измерения и осушествляюший непрерывную коррекцию измерительного сигнала во всем рабочем диапазоне.

Хорошие результаты дает совместное использование МВИ и НОС. в этом случае наиболее значительные и чувствительные к. изменениям условий эксплуатации составлявшие систематической погрешности непрерывно устраняются с привлечением НВИ, а остальные составляющие

5

корректируются периодически с использованием МОС.

В последнее время имеется тенденция к объединению алгоритмов линеаризации и нелинейной МВИ-коррекции в единый программный блок. использующий результаты градуировки измерительного канала НИП как по образцовым измеряемым величинам, так и по образцовым влияющим Факторам,

Реализация высокой точности ШП для измерения Физических величин невозможна без обеспечения соответствующего уровня их помехозащищенности. Наиболее распространенная задача при этом -выделение постоянного сигнала на Фоне аддитивного белого шума или случайной периодической помехи. Самый эффективный метод подавления таких помех - применение оптимальной и адаптивной Фильтрации. Ускорения расчетов, необходимых для выполнения процедуры Фильтрации, можно добиться, используя целочисленную и распределенную арифметику, аппроксимируя весовую Функцию кусочно-линейной или кусочно-постоянной функцией, применяя равные неравномерно расположенные весовые коэффициенты.

В заключении первой главы дана постановка задачи исследования.

Во второй главе рассмотрен необходимый математический аппарат, лежащий в основе рассматриваемых и предлагаемых методов повышения точности и быстродействия МИП.

Анализируются различные подходы к Формулировке критерия оптимальности и параметров оптимизации цифровых Фильтров. Рассмотрены алгоритмы оптимальной (Винера и Калмана) и адаптивной цифровой Фильтрации применительно к широко распространенной в измерительной технике задаче выделения постоянного сигнала на Фоне аддитивного белого шума или периодической помехи.

Проведено сравнение вычислительной сложности различных алгоритмов аппроксимации и рассмотрены возможности их программной реализации.

На основе сравнительного анализа произведен выбор инструмента математического моделирования и расчета блоков фильтрации и линеаризации МИП. Для этих целей предлагается использовать пакет МАТЬАВ [£]. являющийся быстрым в работе, простым в освоении и программировании, содержащим' все необходимые математические и управляющие конструкции.

Третья глава посвящена разработке новых и улучшению известных методов коррекции. Фильтрации и линеаризации в ИИП. направленных на 6

'лучдение их точностных характеристик при сохранении требуемого ¡ыстродействия.

Рассмотрено совместное влияние процедур фильтрации, [инеаризации и коррекции на результирующую погрешность прибора. В [астности, показано, что на величину полной погрешности сушествен-юе влияние оказывает порядок устранения различных ее составляющих. 1риведены рекомендации по снижению погрешности и сделан вывод о 'ом, что для реализации быстрых и простых алгоритмов коррекции :елинейных МИП требуется, чтобы не только линеаризирующая функция, :о и обратная к ней, имели простое аналитическое представление,

Показано, что в случае выделения постоянного сигнала на Фоне елого шума оптимальные Фильтры Винера, Калмана, Кайзера-Бесселя и даптивный сводятся к прямоугольному окну того же порядка N и, оэтому, требуют для своей реализации только N операций сложения. В аботе доказано, что для реализации оптимального Фильтра Винера, ыделяюшего постоянный сигнал на Фоне гармонической (со случайной азой и амплитудой) помехи достаточно всего двух операций умножения независимо от порядка Фильтра N1 и N сложений. При указанных словиях вектор коэффициентов Фильтра Н может быть представлен в иде:

1К0) = ЫН) = X, Ы1) = У, 1 = 1.. .Н-1, . е. принимает только ^ два различных значения X и У, которые могут ыть найдены из системы уравнений

г«х»соз(п»ф/г)»з1п(-Ф/г) = у»з1п(<п-п«Ф/г> ,

2»Х ♦ (Н-2)«У = 1 . де Ф=г«пп/Т, Т - период помехи, I - период выборки Фильтра период дискретизации), Ы=п+1 - порядок Фильтра.

Достоинство предлагаемого Фильтра в том, что он может подав-ять помеху за время, меньшее ее периода. При этом максимальный ровень боковых лепестков (для 1»Н < 0. 5»Т) может быть оценен по ормуле;

К < шпчп) / [Шп»т) - п*т] , га -- {.»Н/Т .

На основе приведенных Формул показана возможность реализации наптивного Фильтра.

Предложена новая структура параллельного адаптивного Фильтра рис. 1), позволяющая существенно снизить методическую погрешность г расстройки Фильтра при выделении низкочастотного или постоянного угнала на Фоне помех или же сократить время • адаптации при той же

7

й(п) —5»

din)

s Cn)

h(iV г ,

* etn) '

_ ее(n)

hlilL<xltn) I

-4Z>-1

z=

el (n)

d(n)=x(n)(n) s(n)=w(n)

Рис. 1. Параллельный адаптивней фильтр.

mi <з|>t i \> с Г i i t. i! г í;

адаптивного филотров при равной поиехоподавлении,

степени помехоподавления (рис. 2). Расчет очередного выходного значения сигнала е(п) выполняется по формулам ; у (п) : S(nl * H'ínl упп) : s (ш « нг (п) е(п) -- d(n) - y(n) el(n) = d(n) - у1(п) ее(n) = ein) - el(n) Нin) = H(n-i) + m » S(n) « ee(n) Hl(n) - Hl(n-l) + m » S(n) « el(n) ,

где e(n), el(n) - оценка входного сигнала x и одновременно сигнал ошибки для основного и вспомогательного каналов; Н, HI - вектора коэффициентов КИХ-Фильтров основного и вспомогательного канала размера К; m - параметр, определяющий скорость сходимости; S(л) - вектор входного сигнала помехи размера н; d(n) - входной зашумленный сигнал х.

Для тех же целей предложена структура адаптивного Фильтра с рандомизатором (RAND-Фильтра) (рис. 3). Рандсмизатор реализует функцию R(n), некоррелированную с помехой, с постоянной составляющей, равной х:

R(n)= d( n - rand(n) ) , где rand О - случайная величина, равномерно распределенная в диапазоне 0... п.

Рандомизатор устраняет постоянную составляющую сигнала, значительно снижая тем самым погрешность от расстройки.

Получены Формулы быстрой оценки параметра m и погрешности от расстройки для предложенных адаптивных Фильтров. В условиях сильных помех лучшее помехоподавление у параллельного Фильтра, при слабых помехах - у RAHD-Фильтра.

Предложены методы, позволяющие существенно повысить точность кусочно-линейной аппроксимации при незначительном увеличении времени на обработку результата. Эти методы особенно эффективны для МИП с нестабильной характеристикой преобразования, для которых затруднительна автоматизация процесса градуировки (калибровки) и изготовление большого количества образцовых мер (например, весы, толщиномер, приборы газового анализа). Один из методов (модифицированная КЛА) требует сохранения в постоянном запоминающем устройстве (ПЗУ), помимо значений характеристики в узлах интерполяции, еше одного коэффициента Dmax (или Kl) (рис, 4);

Dmax -- max [ ( Y-Vlln )/Y1 in J; XI < X < Xl+1 , где Y - значение функции на участке от Xí до XI+1,

d (rO

s (n)

R(n)=d(n-rand(n))

x(n) —>

h(iy

* ¡

у (n)

e(n) ^

_ ее(n)

i

i> R(n)

Рис. 3. Структура FAND-<Hnt»Tt>a .

модифицированной KÍ1R.

ÍO

y1 in - значение линейной интерполяционной Функции на тон же участке.

В качестве реальной Функции можно взять смоделированный на ЭВМ аппроксимирующий полином, обеспечивающий более высокую точность приближения (например по методу наименьших квадратов) или более точную градуировочную характеристику прибора, полученную при большем количестве узлов.

Во время работы прибора результат измерения рассчитывается по сегменту Yapp, проходяшему через узлы интерполяции и имеющему высоту Dmax:

4 » Dmax « ( X - XI ) « ( Xl+1 - X ) » Ylln

Yapp - -—--——— + Ylln

2

( Xl+1 - XI )

или, записав иначе

2

K1 - 4 « Dmax / ( Xl+1 - XI ) ,

YaPP = Ylln « EK1 » ( X - XI ) » ( Xl+1 - X ) + 1] .

Повышение точности при сохранении высокого быстродействия достигается за счет того, что основная вычислительная работа по получению более точного приближения выполняется однократно на этапе разработки и испытаний' прибора, на более мощных вычислительных средствах и с применением языка высокого уровня.

По своей сути описанный алгоритм похож на метод кусочно-кубической аппроксимации, но он более прост в программировании и обеспечивает при градуировке и коррекции получение коэффициентов в явном виде. В работе предложен также упрошенный вариант описанного алгоритма.

В случае использования более точной градуировочной кривой вычисления К1, а также запись их в ПЗУ можно также возложить на микропроцессорный контроллер прибора, поскольку их расчет по предложенным Формулам не является сложным для программирования и выполняется однократно, а, следовательно, не критичен по времени. Расчет коэффициентов аналогичного кубического аппроксимирующего полинома для каждого участка потребовал бы значительно больших программно-временных затрат.

Получено выражение, позволяющее на основе ПО алгоритма КЛА производить вычисление Функции кусочно-параболической аппроксимации

И

при почти двукратном сокращении объема вычислений;

V = (РМХ - Х2) + А21) * (X - XI) + У1 , где инвариант Р вычисляется по Формуле А32 - А21 У1 - YJ Р = -. Аи = -. XI < X < ХЗ .

ХЗ - XI XI - XJ

Эффективность работы алгоритма КЛА напрямую связана со второй производной аппроксимируемой функции ¥(Х). Чем меньше вторая производная - тем меньше узлов интерполяции требуется для получения заданной точности приближения. В пределе, для прямой линии, вторая производная которой равна нулю, достаточно любых двух узлов, чтобы получить погрешность аппроксимации, равную нулю.

-1

Если найти Функцию Е , обратную данной, то вторая производная -1

зависимости У = Г (ПХ)) = X будет равна нулю.

На практике точную обратную функцию найти обычно не представляется возможным, поэтому предлагается приближённо оценить характер зависимости Р(Х) и взять обратную Функцию для .этой оценки Р, такую, что вторая производная результирующей функции Р(ПХ)) окажется меньше исходной.

Применение данного способа при линеаризации характеристики микропроцессорного толшиномера позволило снизить погрешность интерполяции с до 3и,

Разработаны быстрые алгоритмы расчета некоторых математических функций на основе применения С0!Ф1С-ари4>метики, рассмотрены пути их дальнейшего улучшения.

Четвертая глава посвяшена практической реализации предложенных в диссертационной работе методов, разработке и экспериментальному исследованию микропроцессорных приборов для измерения Физических величин, спроектированных с учетом новых технических и алгоритмических решений.

Разработана цифровая часть лабораторных микропроцессорных весов с уравновешиванием веса исследуемого объекта с помощью магнитоэлектрического обратного преобразователя (ЮОП), Для весов предложена программная термокоррекция [9,111, которая осуществляется по методу вспомогательных измерений с использованием преобразователя температура-код [7], размешенного вблизи магнита ЮОП. При термо-12

градуировке в ППЗУ микроконтроллера весов записываются коэффициенты функции, аппроксимирующей кривую температурного дрейфа показаний весов, в дальнейшей, в процессе работы прибора, по полученным коэффициентам и измеренной температуре магнита вычисляются аддитивный и мультипликативный поправочные коэффициенты для термокоррекции результата измерения.

Эффективность предложенного решения оценивалась путем экспериментального исследования серийных весов ВЛЭ-1кг завода "Госметр". При отсутствии калибровок погрешность этих весов может достигать за 8 часов величины о,02л при проведении периодических калибровок через каждый час - 0.0(Ш, а при устранении влияния внутренних источников тепла (работа со снятым кожухом) и той же периодичности калибровок - 0.0004х. поэтому предложенный алгоритм программной термокоррекции при погрешности канала измерения температуры 0. 2 К должен в 5 раз снизить температурную погрешность измерения массы или во столько же раз сократить периодичность калибровок при прежней точности. Материалы исследований переданы на завод "Госметр" (СПб,) для использования в дальнейших разработках.

Для борьбы с помехами в состав программного обеспечения весов включена процедура ких-Фипьтрании, показано, что для помехи в виде белого шума дисперсия выходного сигнала для прямоугольного окна и оптимального Фильтра примерно одинакова и значительно меньше, чем для адаптивного. В случае периодической помехи самое лучшее помехоподавление у оптимального Фильтра, далее идут параллельный и прямоугольное окно, Для помехи с малым интервалом автокорреляции показана возможность использовать адаптивный Фильтр с задержкой.

Разработан микропроцессорный толщиномер [5] с программной термокоррекцией, основанной на измерении наиболее чувствительного к температуре параметра прибора - амплитуды напряжения, питающего датчик,- и позволяющей в 2 раза уменьшить температурный дрейф, Благодаря оригинальному алгоритму определения положения датчика на образце, цикл термокоррекции не увеличивает времени измерения,

В толщиномере осуществляется программная линеаризация характеристики преобразования с использованием процедуры КЛА по 16 узлам в диапазоне 4 - 2000 мкм. Применение алгоритма модифицированной КЛА позволяет в 4 раза снизить максимальную погрешность аппроксимации.

Для' повышения удобства пользования прибором в состав программного обеспечения введены процедура округления результата до

13

первого значашего разряда и процедура индикации мультипликативного и аддитивного отклонения реальной характеристики от градуировочной.

В четвертой главе описаны также схема и по микропроцессорной части стенда для измерения механических характеристик вращающегося агрегата с автоматической аддитивной коррекцией [11 и двухуровневый измерительно-отладочный комплекс [3,6]. Комплекс позволяет разрабатывать и отлаживать в реальном масштабе времени программы МИП, выполнять программирование их ППЗУ, управлять процессом измерения и осуществлять сбор, передачу, хранение и обработку измерительной информации [10].

В приложениях приведены пакеты программ расчета и моделирования характеристик.преобразования ИИП с использованием алгоритмов КЛА, пакет программ расчета оптимальных и адаптивных КИХ-фильтров, программы быстрых вычислений типичных для ИИП функций с использованием Ш?Б1С-ариФметики и метода неявного умножения, а также материалы о внедрении результатов работы.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ,

1. Предложен алгоритм расчета быстрого оптимального фильтра Винера для выделения постоянного сигнала на Фоне гармонической помехи. Показана возможность реализации аналогичного адаптивного Фильтра, Получена оценка зависимости максимального во всем диапазоне частот уровня боковых лепестков оптимального Фильтра от длительности весовой Функции, когда период помехи, на подавление которой рассчитан Фильтр, превышает эту длительность.

2. Предложены структуры параллельного адаптивного Фильтра и 1?АН0-Фильтра. Дана оценка их предельно достижимого помехоподавле-ния. Разработан пакет программ для моделирования и расчета характеристик оптимального и адаптивного цифрового Фильтра, На основе данного пакета промоделирована цепь цифровой Фильтрации микропроцессорных лабораторных весов и получены оценки эффективности различных подходов к реализации Цф в зависимости от вида помех. В частности, для помехи с малым интервалом автокорреляции показана целесообразность использования адаптивного Фильтра с задержкой.

3. На основе анализа наиболее чувствительных к температурным воздействиям узлов электронной схемы разработаны методы введения термокоррекции в микропроцессорный толщиномер и лабораторные весы.

1. Разработана методика и пакет программ для реализации

алгоритмов кусочно-линейной аппроксимации повышенной точности при чининальнам количестве узлов интерполяции и сохранении высокого быстродействия, а также ускоренного алгоритма кусочно-параболической аппроксимации.

5. Разработана программа моделирования цифровых КИХ-Фильтров на основе метода неявного умножения. Предложены пути повышения быстродействия CORDIC-алгоритма. Разработана эффективная программа вычисления квадратного корня для применения в ИИП.

6. Полностью разработаны принципиальные схемы и программное обеспечение лабораторных цифровых весов, микропроцессорного толщиномера, лабораторного стенда для измерения механических характеристик паротурбинных агрегатов черной металлургии и микропроцессорного озонометра,

НП-толшиномер демонстрировался на IV Всесоюзной научно-технической выставке "Контроль толшины покрытий и рго метрологическое обеспечение" (Ижевск, 1990 г,). Стенд для измерения механических характеристик был удостоен II премии в конкурсе на лучшую научно-техническую разработку в области информационно-измерительной техники первичной организации БНТО приборостроителей ЛПИ в 1989 г.

7. Предложены направления повышения активной роли современных микропроцессорных измерительных приборов в процессе взаимодействия с оператором.

8. Изготовлен измерительно-отладочный комплекс со встроенным программатором и эмулятором ППЗУ, подключаемым к разъему Centronics 1БН-РС, для разработки и отладки в реальном масштабе времени программного обеспечения НИП, моделирования алгоритмов обработки сигнала, организации двухуровневых ИИС, расширения интерфейсных возможностей и организации локальных сетей ПЭВМ. Комплекс демонстрировался на Международном симпозиуме-выставке "Аппаратные и программные средства организации и управления производством" (Ленинград, 1990 г. ).

Публикации по теме диссертации.

1, Кнорринг В. Г., Рукина Л. К., Фомин А. А, Микропроцессорная измерительная система для исследования механических характеристик агрегата с вращающимся валом // Вычислительные, измерительные и управляющие системы: Сб. научных трудов ЛПИ, - Л., 1990,- С. 59-63.

2. ' Лобан В, И., Фомин А. А, Анализ стандартных пакетов прикладных программ ОС MS-DOS с точки зрения решения задач

15

обработки измерительной информации // Тезисы докладов Всесоюзной научно-технической конференции "ИИС-89". - И., 1969.- С, 10,

3. Лобан В. И., рукина л. К., Фомин А. А., Цветков В. А. Микропроцессорные средства измерений и инструментальные системы. // Приборы и системы управления. - 1969, - № 9. - С. 20-22.

4. Лобан в. И., Рукина Л. К,, Фомин А. А., Цветков В, А., Ковалев

A. Е., Солдатенков 0. ф. Микропроцессорный контроллер для газоанализатора озона и тезисы докладов Всесоюзной конференции "Современное состояние аналитического приборостроения в области анализа газовых сред и радиоспектроскопии". - Смоленск, 1991.'- С. 289-290.

5. лобан в. И. ■ Пыжьянов А. А, Рукина Л. К., Фомин А. А., Цветков

B, И. Микропроцессорный толщиномер. // Приборы и системы управления. - 1991. - (f 5. - С. 26-27,

6. Лобан В. И., Рукина Л, К,, Фомин А, А, , Цветков В. И, Организация нижнего уровня систем автоматического мониторинга воздуха // Материалы Всесоюзной научно-технической конференции "Методология измерений". - Л. , 1991,- С. 177-178.

7. Мейкшанс В. С., Рукина Л, К., фомин А. А. Преобразователь температура- код, //Приборы и техника эксперимента. - 1969,- 1Г.5. - С, 251.

8. фомин А. А., Рукина Л. К, измерительно-отладочный комплекс // Тезисы докладов Всесоюзной научно-технической конференции "Микропроцессорные системы автоматики", - Новосибирск, 1990. - С. 202-203.

9. Фомин A.A., Кнорринг В.Г,, Руквда Л.К. Программные и технические средства термокоррекции в электронных весах. // Приборы и системы управления, - 1991.- № 3. - с. 36-38.

10. Фомин A.A. Сжатие информации как один из методов ее зашиты // Тезисы докладов Республиканского научно-технического семинара "Методы и технические средства зашиты информации". - СПб,, 1993, - С. 34.

11. Электромагнитные весы: a.c. 1627854 СССР, 1990 / Кнорринг В. Г., Рукина Л. К., Фомин А. А.

Подписано к печати ¿5.12.34- Тираж 100 экз,

Заказ 10i Бесплатно

Отпечатано на ротапринте ИГО! СПбГТУ

195251, г, Санкт-Петербург, Политехническая ул., 29