автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.05, диссертация на тему:Ультразвуковой планшетный дигитайзер в локальной вычислительной сети персональных ЭВМ

АЗЕРБАЙДЖАНСКАЯ ГОСУДАРСТВЕННАЯ НЕФТЯНАЯ ЛКЛДЕЛШЯ

На правах рукописи

МАЛИК ФАТХИ АЛЬ-АМАИРЕХ

УЛЬТРАЗВУКОВОЙ ПЛАНШЕТНЫЙ ДИГИТАЙЗЕР В ЛОКАЛЬНОЙ ВЫЧИСЛИТЕЛЬНОЙ СЕТИ ПЕРСОНАЛЬНЫХ ЭВМ

05.13.05 — «Элементы и устройства вычислительной техники и систем управления»

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

БАКУ - 1993

»Работа выполнена на кафедре «Информационно-измерительная и вычислительная техника» Азербайджанской государственной нефтяной академии.

Научные руководители:

доктор технических наук, профессор МУРАТОВ И. X.,

доктор технических наук, доцент АЛИЕВ Р. М.

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор АБДУЛЛАЕВ И. М.,

кандидат технических паук АХМЕДОВ Б. О.

Ведущая организация — Институт Кибернетики АН Азербайджанской Республики.

Защита состоится « » декабря 1993 г. в часов на заседа-

нии специализированного совета Н. 054.02.02 при Азербайджанской государственной нефтяной академии по адресу: 370601, г. Баку, проспект Азадлыг, 20.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Азербайджанской государственной нефтяной академии.

Автореферат разослан « А (о » ноября 1993 г.

Ученый секретарь специализированного совета, ' кандидат технических наук, доцент

ТУРГИЕВ Э. А.

01'ШАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Графическая информация является одной на шроко л:.'>спросгрян'>ин«х форм представления информации, хэрактери-оунчейСЯ СЕ:ОС'Я КСМПаКИЮОТЬН), наглядностью, больной емкостью и !ш:«1>матлм!ость» и удоостгш в визуальном восприятии. Графическая информация (Г'И) задается с помощью твердых и гибких носителей в елде различных копий изображений: графиков, карт, диаграмм, номограмм и других чертежей. Интерпретация и обработка графических данных. зачастую является слсшюй задачей, занимает много времени и требует больших навыков оператора ц рутинной работы. Разрешение этой 'задачи ведется в направлениях создания полуавтоматических и автоматических средств кодирования ГИ и ее обработки в ЭВМ.

Автоматические средства кодирования ГИ, являясь достаточно сломшми и дорогостоящими устройствами, обладают высоким бистро-действием, но имеют ограппчешюе применение, так как предъявляют повышенные требования к стилизации символов к кривых ГИ, Четкости ее представления, контраста, цвета, освещенности, отсутствия нза-иумлошшх" участков и выполнения процесса с определенными классами кривых.

Полуавтоматические средства, хотя и проигрывают первым в быстродействии и требуют ручного ввода ГИ в ЭВМ - лишены вышеуказанных недостатков, обеспечивают диалоговый обмен информацией оператора с ЭГМ. ч'то позволяет использовать их практически при любых операциях с ГИ. Креме того, в ряде задач, как это имеет место в системах автоматизированного проектирования (САПР) при выполнении проектно-конструкторских работ происходит создание различных маинн и оборудования в виде фрагментов их чертежей, что диктует необходимость в использовании интерактивных средств кодирования и редактирования ГИ, в качестве которых успешно применяются полуавтоматические устройства. Эффективность любой САПР определяется не только ее архитектурой,алгоритмическим и прогрзм-мннм обеспечением, но также в значительной степени полувтомати-ческими средствам ввода ГИ в ЭВМ.

К полуавтоматическим средствам ввода ГИ в ЭВМ предъявляются высокие технические требования по их точности, быстродействию, разрешающей способности, помехозащищенности функциональным возможностям, конструктивному исполнению и дизайну. Аналитический обзор и сравнительный анализ показали, что существующие в насто-

ящее время устройства ввода ГИ в ЭВМ далеко ненолность удовлетворяют по своим метрологическим, технико-экономическим 1 конструктивным параметрам. Поэтому возникае.т необходимость созда ния новых и повышения эффективности имеющихся устройств. Анали: показывает! что для этих целей перспективно использование ультразвукового планшетного преобразователя (дигитайзера) ГИ.

РазраОотки существующих ультразвуковых планшетных дигитайзеров (У31Щ) основаны на математическом моделировании физическш процессов в их акустическом узле САУ). которые в ищу больших сложностей и многочисленности параметров входных факторов вынуждают ограничивать их учет при таком математическом моделировании и тем самым не позволяют полностью осуществить1 их анализ и достичь требуемых результатов. В этой связи необходами исследования, основанные на использовании методов планирования эксперимента, регрессионного анализа и обработки экспериментальных данных, а также разработка структурных решений, направленных на дальнейшее улучшение технических характеристик УЗПД.

На современном этапе научно-технического прогресса при все .возрастающих объемах информации, обработка ГИ осуществляется с помощью многомашинных вычислительных комплексов, объединенных в локальные вычислительные сети (ЛВС). В силу специфичности задач, решаемых при вводе,преобразовании и обработке ГИ, возникает проблема выбора приемлемой ЛВС ПЭВМ с УЗПД.

С учетом вшлизложенного, выполняемые в настоящей диссертационной работе псслодования, являются несомненно,- актуальными.

Целъп работа являются теоретические и экспериментальные исследования ультразвукового планшетного дигитайзера графической информации, возможности его функционирования ь локальной вычислительной сети ПЭВМ, а также разработка его аппаратного, алгоритмического и программного обеспечения и структурных решений для ловышения быстродействия и точности УЗПД.

В соответствии со, сформулировашюй в работе целью решены следующие задачи:

• - проведен обзор и анализ методов и устройств кодирования ГИ;

- проЕеден сравнительный анализ существующих математически? моделей акустического узла (АУ) У31Щ;

- проведен анализ метрологических характеристик различных АУ У31Щ; • . ..

- проведены планирование эксперимента с АУ УЗПД и обработка

экспериментальных данных на ЭВМ;

- разработаны и исследованы регрессионные додели АУ УЗПД;

- проведена оптимизация параметров и элементов конструкции АУ УЗПД;

- разработаны структурные решения для повышения быстродействия и точности АУ УЗПД;

- исследована возможность функционирования УЗПД в ЛВС ПЭВМ и предложена архитектура такой сети;

- разработан и экспериментально исследован УЗПД повышенного быстродействия и точности в комплексе с ПЭВМ IBM PC/XT/AT - 286;

- разработано прикладное алгоритмическое и программное обеспечение УЗПД; , ,

- разработаны и экспериментально исследованы специализированные вычислительные устройства повышенного быстродействия для предварительной обработки ГИ в УЗПД, работающих в ЛВС ПЭВМ;

Метода исследований. Выполняемые в работе исследования базируются на использовании системного анализа, аппарата математической • физики, теории упругости, теории информации, теории планирования эксперимента, регрессионного ' анализа, теории вероятностей и математической статистики.

Научная новизна результатов выносится автором на защиту и представляет собою:

1. Регрессионные модели АУ УЗПД, позволяющие наиболее полно • охватить его множество параметров факторов при планировании эксперимента .

2. Многокритериальная оптимизация выходных факторов АУ УЗПД методом зендирогчнпл пространства параметров входных факторов регрессионных моль-лей LPT последовательностью чисел.

3. Структурные решения по повыиению быстродействия и точнос-сти УЗПД.

Практическая ценность п внедрение. В результате выполненных

в работе исследований разработаны:

- методика выполнения и обработки экспериментальных данных АУ УЗПД;

- методика выбора оптимальных параметров конструктивных элементов АУ УЗПД;

- структурные схемы УЗПД с повышенными метрологическими характеристиками;

- алгоритмы и программы функционирования УЗПД в комплексе с

ПЭВМ IBM PC/XT/AT - 286;

- специализированные вычислительные устройства повышенного быстродействия для предварительной обработки ГН-i в УЗ!1Я.

На основе проведенных теоретических и экспериментальных исследований разработан, изготовлен и внедрен ь 1'ИКТЦ "Дкватроник'' Министерства водного хозяйства и мелиорации Азербайджанской Республики экспериментальный образец ультразвукового планшетного дигитайзера дли ввода и обработки картографической информации в ПЭВМ IBM FC/AT - 286.

Апробация работы. Основное поло:«:шя и результаты диссер-тациопноП работы докладывались п. обсуэдались на:

- XIII Республиканской научной конференции аспирантов вузов Азербайджана (г. Баку, 1990 г.);

- Всесоюзном соЕзщании "Измерение и контроль, при автоматизации производствашшх. процессов" (г. Барнаул, 1991 г.);

- Республиканской конференции "Новые злектронные приборы и устройства"-(г. Москва, 1991 г.);

- Научно-технической конференции колодах ученых (аспирантов и студентов), посвященной 70-летию АзИУ ( г. Баку, 1991 г.);

- Республиканской научно-методической конференции "Систе?лы автоматизированного проектирования в чертеюю-конструкторских работах" (г. Баку, 1991 г.);

- XIV Республиканской научно-технической конференции молодых учешх (г. Баку, 1991 г.).

В полном объеме диссертационная работа обсуждалась к получила полокительную оценку на заседании кафедры "Информационно-измерительная и вычислительная техника" и специализированного семинара по специальности 05.13.05 - "Элементы и устройства вычислительной техники и систем управления" Азербайджанской государственной нефтяной академии.

Публикации. По материалам диссертации опубликовано 13 работ, ь том числе 6 изобретений и патентов, на которые выданы положительные решения Государственного комитета по изобретениям Российской федерации.

Структура и объец диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, заключения, приложения, списка литературы из Т.07 наименований, изложена на 173 страницах машинописного ■■:хга и содержит 38 рисунков и 8 таблиц.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

В о- введении обоснована актуальность теш, сформулированы цель и основные 'задачи исследований, намечены пути их решения и изложены научные и практические результаты.

В первой глаЕе проведен аналитический обзор существующих методов и устройств полуавтоматического ввода ГИ в ЭВМ и выполнен анализ существующих' математических моделей и метрологических характеристик УЗПД, а также устройств ввода ГИ в ЛВС ПЭВМ.

Исследования последних лет в данном направлен™ показывают, что в настоящее время разработаны или находятся в стадии проектирования различные тигы устройств ввода ГИ в ЭВМ, в основе работы которых лежат самые разнообразные физические явления и принципы. Указанные обстоятельства приводят к необходимости классифицировать их по признакам точности, быстродействия, разрешающей способности, уровню автоматизации считывания, размеров планшета, количества мер считывания, виду органа , съема, режимов работы с ЭВМ и физического процесса, лежащего в основе метода считывания.

В зависимости от принципа считывания ГИ, дигитайзеры подразделяется на электромеханические, оптические, контактные, электростатические, резистиЕНые, мзгштострикционные, электромагнитные и акустические. Сравнительный анализ дигитайзеров ГИ показывает, что благодаря ряду таких преимуществ, как простота конструктивного исполнения и схемотехнической реализации, малому влиянию электромагнитных полей, низкой стоимости при достаточно высоких метрологических характеристиках, акустические дигитайзеры являются одними из перспективных устройств ввода ГИ в ЭВМ.

Акустические дигитайзеры относятся к непрерывным устройствам считывания ГИ, среди которых распространены УЗПД со стеклянным планшетом - звукопрозодом и подвижным'рабочим органом (РО)- акустическим карандашом (АК), выполняющим роль указателя координат. Обрабатываемая ГИ, задаваемая обычно на СумазноУл или пленочном носителе, закладывается под планшет, на поверхности которого создаются ультразвуковые волны (УЗ) деформации с помощью пьезоэлектрических: излучателей. УЗ волны, достигая ' пьезоэлектрического приемника устройства, возбуадают в нем электрическое' напрякение в моменты времени, пропорциональные измеряемым«координатам X и У. В зависимости от принципа действия ' разлагают УЗПД с принимающим рабочим органом (ПРО).и с излучающим рз&>*тм органом (ПРО).

В главе проведен анализ существующих математических моделей АУ УЗПД с ПРО и Ч1Р0, который показал, что их математические модели строятся при больших ограничениях и не .учитывают всю полноту параметров входных факторов АУ УЗПД. Кроме того в этих моделях в качестве оптимизируемого параметра выбирается только одна величина - напряжение и1 на зажимах пьезоэлемента, что также им не позволяет дать полного адекватного описания АУ УЗПД.

Для определения количества и видов выходных факторов в главе проведен анализ метрологических характеристик УйЛД. в результате которого было установлено, 'что -для оптимизации моделей по быстродействию и точности необходимо использовать следующие выходные факторы: напряжение на выходе пьезоприомшк;. -и( . длительность измерительного интервала 1; и время затухания УЗ волны в планшете я .

Далее в первой главе обсуждается проблема применения УЗПД в системах автоматизированного проектирования, отмечается, что уровень сложности решаемых средствам! САШ' задач сегодня таков, что возникает острая потребность использования в качестве инструментария многомашинных комплексов для сбора, хранения, обработки и оперативного обмена информацией, имеющейся в базе данных автоматизированного комплекса.

■ Вышеизложенное позволило сформулировать постановку задач исследований, данной диссертационной работы.

Во второй главе рассматриваются вопросы разработки и исследования математических моделей АУ УЗПД, построенных на основе метода планирования эксперимента и регрессионного анализа экспериментальных данных, о также производится анализ полученных результатов 'и зависимостей,выполняется многокритериальная оптимизация полученных математических моделей и определяются оптимальные значения наборов.параметров входных факторов.

. Исследования множества параметров входных факторов АУ УЗПД позволили определить их, количество'и диапазон варьирования, необходимые при планировании эксперимента. Составленные алгоритмы и программы машинного планирования эксперимента дали результаты оптимальных данных для выполнения экспериментов с АУ УЗПД. Проведены эксперименты со.120 различными наборами входных параметров при соответствующем количестве измеренных выходных величин: и(,т3

- Э -

Входные параметры АУ УЗГЩ могут быть постоянными Хс (разме ры, формы элементов, типы их материалов) и переменными \ (амплитуда возбуждающего напряжённа, температура окружающей среды и т.д.) величинами. Постоянные входные параметры (Х1,Х2,.. ,Хга): е,-пьезоэлектрический модуль материала пьезоизлучателя ^-толщина пьезопластинки, 1,-длина щупа, 1 - длина конуса - концентратора, с!, - .диаметр пьезоизлучателя, Ё,- модуль упругости, в,- модуль сдвига, ц,- коэффициент Пуассона, р^ - плотность материала щупа, й0- радиус закругления конца щупа и С, - скорость звука в материале щупа.

Параметрами планшета являются; р2 - плотность материала, Е2- модуль упругости, о2- модуль сдвига. ц2- коэффициент Пуассона, 12 - длина, (12 - ширина, е2 толщина и С2 - скорость звука в материале планшета.

Параметры приемника; еэ - -пьезоэлектрический модуль,1Э- длина пьезоэлектрической линейки, <Ц- ее ширина и - толщина.

К неременным параметрам АУ УЗПД относятсягА - амплитуда возбуждающего, напряжения, Р - усилие прижатия, а - угол даклона меж--ду вертикальной осью щупа и плэскостыэ планшета, ф - угол поворо- • та органа съема вокруг своей оси, г - расстояние между- наконечником органа съема и приемником и Т- температура окружающей среды.

Из теории многофакторного регресиошюго анализа известно, ' что для построения адекватной измерительного процессу модели не-, обходило, чтобы входные факторы были полностью независимыми.

Результат установления взаимных связей параметров в АУ УЗПД позволил исключить из дальнейшего анализа десять его входных факторов и оставить следующие двадцать: е,, Л,, ^ , С1, 1,, 1к, (1^,

А,- й2 • 'CZ^ Ч- «з- 13- А' Г И

Математические модели составлялись по количеству откликов.

Первый этап построения моделей выполнялся методом планирования активного эксперимента, дающим наилучше результаты при исследованиях АУ УЗПД. Причем для лучшего охвата пространства параметров входных факторов использовалось его зондирование ЬРт рав-номерно-расспределенной последовательностью чисел :

Оо • о».....0 • •••

Пространство входных параметров дикторов представляет собой многомерный параллелипипед ( РЬ ) определяющийся неравенствами:

,.а1 < а1 < аГ : (1 = I. 2.....2°! • (П

где; а" и а* "-соответственно нижний и верхний преде .ты огракиче-

пил -.-ого еходного параметра.

При зондировании . РЬ , анализируемая в данный момент точка А е }'1с координатами ( а4 , а2 , ... , ап ) определяется из соответствующей ей по номеру точки О € 1£т с координатами"

0(4,, .....Ч„ ) по формулам:

а = а/ .+ ^(а**- а*) . (Л = 1.....20) . (2)

В результате планирования эксперимента было вычислено 120 наборов вход1Шх параметров со своими 20-ю координатами пространства параметров Затем, эти результаты были- использованы в процессе выполнения экспериментов, что позволило получить путем измерения в экспериментальных макетах множество значений .трех функций отклика: II, , т ' .и х„ .

' 3 и

При втором этапе построения математических моделей составляются уравнения регрессии для всех функщтй откликов моделей. Математическое описание экспериментальной модели с учетом параметрической идентификации, представляет собой зависимость функций откликов от воздействующих факторов.-

Обозначим через У,, Y2, У3 зависимые переменные (функции отклика) модели, а'через'Х1, Х2, ... . Х20- независимые (входные) переменные. Результаты наблюдений У2, Уэ представляют собой независимые между собой нормально. распределенные величины.

регрессионный анализ начинается с предварительного Еыбора ' степени и аппроксимирующего полинома,' который после преобразования представляется.» виде однородного линейного уравнения:

У ~ ЬоХо + Ь. Х1 + • • • + Ч Хк • >

где 'Ь - коэффициенты полинома ; х0=1; -входные факторы; а к+1-

количество членов полинома: при <1=1, к=20: а при й=2. и к=40. '

В уравнение (3) подставим значения наборов экспериментальных

данных у^, X,.; 1=0,к для каждого эксперимента (г) к получим систему п-линейных уравнений с к+1 - неизвестными:

У = £ ^ Ъ^ д=1,п (4)

Система уравнений (4) была решена относительно коэффициентов Ьи, методом наименьших квадратов. При этом й=2 для ^и т3, и ¿=1 для В результате получены модели для трех функций откликов

(Ч.^з- V-

Адекватность полученных трех моделей была проверена по следующим критериям:

- разности Бк - суммы квадратов отклонений и суммы квад-

ратов отклонений SQ от среднего значения. экспериментальных данных,-которое составило для :

U, - 3„ -- 2.805Ч0"5 ; t,- S.= 1.645'IQ"3 н t -*S. , = 1.676'I0~14.

I К14 J К • И К I .

Результаты показывают,что количество экспериментальных наборов дашшх было достаточным для построения адекватных моделей:

- критерии Фишера (Р критерию) и получены значения для: 'ut - Pu= 1.49 ; .т., - F= 1.49 и tH - F=1.189 ; сравнение с табличными значениям! 1Ж-го.F - распределения подтвердило гипотезы адекватности этих моделей.

Проверка значимости коэффициентов регрессий bt в трех моделях выполнена независимо по критерию Стьюдента ( t .- критерию ), что позволило путем сравнения с табличным! ззгаченияки t - распределения при 10%-oft доверительней погрешности уточнить значимые и исключить незначимые коэффициенты ^.грессии.'

Окончательный вид полученных трех регрессионных моделей представляется еледующим,образом:

ut= 1,88.10*4е, + 2,3.ICT't, 1,83.10"4ct + 6,65.10*% -.

- .1',71* +2^92.10"2 lk - 0.46 12к - 1,02.10~4dni+ ' 2.9.Ю"*^- ■ . - 1,34.10"?Но .+ 5,89.10"Х " + 1.81.10"4F - . .1,23.10~SF2 +

+1,44.1Q~4a .- 7,91 HQ~saz + 2.63.t0"°A - 1,91.10*ЭС2 . +• +3,4.10*1ОС2 - 2.4.10*®. e* .- 8',46.'10"5t2 - 2,53.10"3r + .'. + 2,42.10~V + 5.10"4T ; ■ . : (5)

a3= 1,3.10""+ 1,88.10"^ - 2,5. io~10t2 + 6,65. 10"3!,-

- 1.T.10*B12 + 2,9. 10"% - 0,455. 10~в1* + 2.97. t0"iOd£+ + 1 ,34.10"8Ro -5,88. 10"X + 1,8. 10"ЭР - 1.23. 10~V +

• + 1,44.10*°a - 7,9.. 10_l,c^ ■ + 2,68. 10*1ОД - 1.9. 10"эСг + + 3,4.10~loC2 + 2.8б.10",э1а + 8,95.-10".11 ey- 8,4. lO'^t2 -

- 2,5.10*lor + 2,4.10"V - 5.10~,3T + 7.10~,4!Е* ; (6)

tH= 1.9.10"12 + 8,5.10"l4et + 4,6.10*l3dl + б.Ю"19^ .+ + З^.Ю"12^ + 3,2.10"*% + 7,5.10*"P + 6.7.10",3a -

v- 2.10"11A - 3,6.10'14C2 + 1,6.10"tor - 5.6.10",',T (7) '

Для выявления качественных н количественных характеристик результатов моделирования были найдены зависимости Функщй откликов Y. при вариации парсметроз их входных факторов Xlt v. лострое-

ны'соответствующие.графики, подтверждающие соответствие получен^ ных результатов физическим процессам, протекающим в АУ УЗПД.

. Далее в главе решаются задачи многокритериальной параметрической оптимизации моделей и,, т3 и АУ УЗПД.

Пространством параметров а называется п-мерное пространство, состоящее из точек А. с координатами ( а,,а2, ... , ап). Предпо- ' лагается, что при этом заданы следующие параметрические ограничения: ...

а* < аи < а** : 3=1,2,...,г . . • (8)

где ¿-ая координата 1-ой точки: а" -нижний предел ограниче ния 3-го параметра; а*'-верхний предел.

Далее предполагается, что заданы функциональные ограничения:

с*х 1Х(А) < с : 1=1,2.....г . (9)

где С*^, о*; - нижний и верхний пределы ограничения;1 - количество функциональных ограничений.

Наконец, предполагается, что заданы критерии качества 7= 1,2,...,И ). Для-однородности использования критериев качества выберем такие, которые принимают оптимальные значения качеств и,, ч3 и ги . -

При оптимизации необходимо также учитывать ограничения «а допустимые наихудшие значения критериев качества Ф^**; т.е. должны выполнятся условия:

Ф^Ш < Ф^* : л « 1.2.....И (10)

' -Обозначим через Б множество точек А, которые удовлетворяют ограничениям (8,9,10). Такое множество называется множеством допустимых точек пространства параметров. Условимся, что точка А безусловно лучше точки А*, если Ф^(А)= Ф^Д') при всех 7 = 1,2,.. ..Л и существует хотя бы. одно из их значений, такое, что Ф^(А) < Ф^А') . Точка, А называется эффективной, если не существует ни одной точки, безусловно лучшей, чем А. Обозначим через Е множество Парето (множество эффективных точек). Тогда справедливо следующее выражение: Ее б с о с рь .

■■'.'• Оптимальное решение в данном случае следует искать среди точек А е £. : .

Оптимизация моделей , и 1; выполнялась методом зондирования пространства параметров их входных факторов 1Р1 последовательностью чисел при параметрических (8), функциональных (9) и _ критериальных (10) ограничениях. :

Решение задачи оптимизации выполнено на ЭВМ в диалоговом режиме путем перебора значений-наборов параметров входных факторов и совмещения ограничений при максимизации и^ и минимизации тд и дг , где дги = |ЪИ - г/С2| - погрешность измерительного интервала.

В результате оптимизации получены шесть оптимальных наборов параметров факторов при следующих критериальных ограничениях:

и, £ 3-10"э В; а3 $ 12" 10-3 с; дги $ 4М0~* с.

Полученные результаты оптимизации относятся к группе эффективных. Это позволяет конструктору наилучшим образом выбрать параметры (е,.^,^......) АУ УЗПД. ■ •.

Проверка теоретических результатов была подтверждена соответствующими экспериментами и показала после статистической обработки результатов при Р(и)=Р(г)=Р(дг)= 0.95, например, при оптимальных параметрах входных факторов/взятых из набора N 387, следу гада значения критериев оптимизации:

иг.теор. = э.35>10"3: в; и^эко = змо-э в

тз.теор = 5.05-1СГ9 с; г3>9к6 ='6М(Г3 с ;

т.е. не превышают 15% расхождения и являются достаточными для принятых допущений. *.' ' '."-. /.

В третьей главе даются структурные.решения для повышения . точности и быстродействия УЗЦД с ПРО и ИРО. ' .

Структура УЗЦД с ПРО в с коррекцией погрешности от изменения амплитуд измерительного сигнала й помех обеспечивает регистрацию прихода УЗ волны в приемник с устранением погрешности, связанной с нестабильностью амплитуд в результат» наличия дестабилизирующих факторов таких как, например, не стационарность усилия, прижатия щупа. При использовании порогового элекекента с адаптивным уров-

ном орчбвтнв-чтш, структура о£«спочипао'Г регистрацию только полезного сигнала и подавляет помехи, имеющие амплитуды меньшие, чем у полезного сигнала, что наряду с точностью повышает так*» ее. помехоустойчивость.

Структура УЗПД с ПРО и с селектором длительное:« импульсов обеспечивает селекцию информативной части измерительного сигнала, путем отделения ее от сигналов помехи за счет использования структурных элементов и сеязсй, распределяющих направления путей протекания полезного сигнала п. помехи. При детергятиропашшх значениях измерительного сигнала структура с селектором длительности импульсов позволяет повысить точность УЗПД.

Погрешность считывания координат коглт быть снш.-сена путем точной фиксации начального момента перехода через свое нулевое-значение-, принимаемого информационного сигнала. Это. достигается в ■' структуре устройства, приведенной на рис.1,а. УЗ волны, -возбуждаемые попеременно во времени генератором импульсов 8 в пьезоплзс-тинах 2 и 3, распространяясь в планшете I и принимаются пьезо-приешшком РО (4). Уровень электрического сигнала и^ (рисЛ,б) ' сравнивается с пороговым напряжением ип и при их равенстве, блок формирования импульсов 5 выдает короткие импульсы ие1 и ие2 . Блок 6 формирует временные интервалы и 1; и. производит вычисление координат по моменту перехода УЗ волны через свое нулевое значение в соответствии с формулой» 1: = Х2)/г - Т/4, которое далее передается в ПЭВМ через блок сопряжения 7.

В структуре с мультиплексированием рабочего поля планшета I (рис.1,в) используются две пары X,У координатных пьезолинеек 2,3, 4,5, устанавливаемых по всем его четырем сторонам, благодаря чему .сокращается Еремя пробега УЗ еолны при максимальном'удалении ИРО, возбуждаемого' генератором импульсов 8, от краев рабочего поля планшета. Быстродействие измерения' координат определяется интервалом времени 1; , зависящим от времени затухания акустической еолны 1;3 в планшете и максимальным временем пробега волны ^ на рабочем участке планиета:

г + 1 + Ул . ,

в V . Уп

где 1д - длина щупа ИРО (7); , Уп - соответственно скорости звука в материалах щупа и планшета; 1 - даша рабочего поля; п-количество квадрантов рабочего поля;' Ь - путь, проходимый УЗ вол-

■Ч.. -ч. -к, ^

■vT

"M îf- I*5» ^S?» ^ g

J

TM

Si

> О

I z

"О

U

Sí

I N J

1

«Ni

±

I

иой при ев отражении от краев планшета.

Коды измеряемых координат формируются параллельно во времени блокам 9 и 10, после чего передаются в ПЭВМ.

Кок показали расчеты, предлагаемая структура при четырех, квадрантах рабочего поля планшета позволяет повысить быстродействие считывания координат в 1,33 раза.

Повышение быстродействия УЗПД может также достигаться путем снижения времени затухания,возбуждаемых в его планшете УЗ волн.

В частности, это можно осуществить с помощью предлагаемых структур, основанных на демпфировании неинформативной части УЗ волн (рис.2,а и 2,в).

В-первой структуре генератор импульсов 6, со сдвигом во времени, определяемым временем пробега волны до середины планшета, попеременно возбуждает УЗ волны в долях координатных осей х и у, причем возбуждаются в одних (2,4) пьезопластинах волны одной полярности, а в других (1,3) - волны обратной полярности, т.к. в в используются прямой и инверсный еыходы генератора. Упругие бегущие волны противоположных полярностей распространяются по планшету вдоль координатной оси навстречу друг другу с постоянной скоростью, встречаются в его середине и там же демпфируются (рис. 2, б). Принимаемые,ПРО сигналы после их . формирования в блоке 7 передаются с помощь» блока сопряжения '8 в ПЭВМ. С целью пересчета координат, блок 7 определяет активный квадрант планшета по полярности принимаемого сигнала5.

Вторая структура (рис.2,в) также позволяет разъяснить метод демпфирования УЗ волн в планшете УЗПД, причем обладает тем преимуществом, по сравнению с предыдущая методом и структурой, что позволяет, с меньшими аппаратными затратами осуществить координатные измерения при одинаковых условиях демпфировать УЗ волн.Расположение дополнительных пьезоизлучателей 3 на расстоянии, равном длине волны X, от основных 2, позволяет демпфировать волна в планшете в процессе их зарождения с помощью одного и того же генератора Б, соединеного с инверторами б к 7 и пьезоплзстинами 2. Благодаря этому при измерениях используется только один период волны - синусоиды, распространяемой в планшете и воспринимаемый ПРО (4) и блоком формирования временных интервалов 8 (рис.2,г).

В четвертой главе рассматривается комплекс проблем, связанных с разработкой архитектуры ЛВС ПЭВМ с УЗПД.

Определение способов и средств связи ПЭВМ является одной из

5

—ш

■üHz

ЕГ

--J

4

fe ПЭВМ „

3 =о -

«

0

п

У

0

л

\А

V

а)

б)

<7

4

ft,

А

2 г '

'У

в)

г)

4

-Х.У

Рес. 2

ключевых задач создания ЛВС ПЭВМ с УИПД. Эта комплексная задач) 'разбивается на Несколько подзадач; выбор типа и топологии сетт передачи данных, выбор физической реализации канала передачи дан ных. выбор метода доступа к сетевым ресурсам, определение общи) требований к сети.

Анализ сетевых топологий позволяет утверждать. что наиболее предпочтительной топологией ЛВС для ПЭВМ с УЗЦД является кольцевая. Она дает возможность наиболее экономичного построения полносвязанных сетей, в которых осуществляется взаимодействие каждой ПЭВМ с любой другой с помощью единственного канала обмена обеспечивает •простоту передачи сообщений, имеющих несколько адресатов: позволяет распределять задачи по вычислительный средствам в ■ различных классах и использовать свободные вычислительные ресурсы исправных элементов системы для компенсации отказов. Кроме того, кольцевая архитектура представляет многообразные возможности для функционального и пространственного расширения системы

Построение ЛВС ПЭВМ с УЗПД требует использование единой сре- ■ •да передачи данных.При этом важной характеристикой-локальной сети как коммутационной основы,системы в болькой степени, определяющей ее быстродействие, пропускную способность и другие принципиальные характеристики.является используемая передающая физическая среда; эфир, световод, коаксиальный кабель, витая пара и т.д.

Далее в 4-ой главе проведен анализ применяемых в ЛВС методов доступа к передающей среде, на основе которого делается вывод о том. что в наибольшей степени требованиям высокой надежности и производительности сети удовлетворяет протокол маркерного доступа. Исследования показали, что из существующих методов доступа прямой доступ к памяти представляется наиболее предпочтительным вследствие обеспечения им высокого быстродействия и эффективной обработки больших потоков данных, которые имеют место в системах , автоматизированного проектирования.

В пятой главе рассматриваются вопросы практической реализа-' ции УЗЦД, его структурная и функциональная схемы, алгоритмы и' программы функционирования, а также специализированные вычислительные устройства, предназначенные для повышения быстродействия . предварительной обработки ГИ.в УЗПД. В устройство входят: акустический узел, вклвчаадий в себя стеклянный планшет, рабочий орган, измерительный блок,' блок управления и блок питания.

УЗПД предназначен для использования в комплексе оборудования

- II1 -

ПЭВМ jMi рс/ХТ/АТ - ?Ж>. Устройство выполняет следующие функции: K2'<!-';p^irae, кодирование п цифровую форму й передачу в канал ПЭВМ значений координат (X,Y) точек ГК, расположенных в плоскости пл:»чзета. кн!оркг<киеЯ УЗПИ с ПЭВ:,: осуществляется с помощью

стандартной платы интер+хзйса Ife.

Газроботатшй У2ЦД kvs-jut погрешность измерения ко осям X,Y не солее • о,й& км " позволяет произвести не менее 200 измерений координатных точек г, секунду при геометрических размерах рабочего поля планшета 400 у. 300 м>;.

Далее в глав? приводится алгоритмы и программы функционирования УЗПД, опрзделятаул: обмен информацией метлу УЗПД и ПЭВМ и ее обработку. Рассмотренные алгоритмы и программы юшнзят в себя выполнение следуг.-щих процедур: коптела готовности периферийных устройств, запроса и прием-1 дошмд , усреднения измерительных информационных сигналов, обнаружения и исключения промахов измерения, убавления процессом обработки информации и выбора меню.

Разработанные алгоритмы и программы были проверены в процессе комплексных испытаний ультразвукового устройства ввода ГМ в ПЭВМ типа IBM PC/XT - сказали свою полную оперативность

и удобство в работе.

В главе приводятся описания специализированных мультимикро-процессорных устройств, используемых в УЗПД-при их работе в ЛВС ПЭВМ для повышения быстродействии предварительной обработки ГИ и снижения вычислительных нагрузок с сети ПЭВМ. В устройствах использован крктцс; последоп^тельно-параллельной обработки данных с помощью мнкр^-роц^-Х'орных наборов Z80A фирмы Zllog и К580ВМ80А.

Разраб'-танш-е прикладное программное обеспечение было составлено- на алгоритмических языках BASIC, PASCAL, См- , цАоЗКМШ.ЕП, использовалось совместно со стандартными программам!, взн-н'/и из программного обеспечения ПЭВМ IBM PC/AT/XT и показало полную эффективность в процессе исследований и эксплуатации УЭДД.

В приложении приведены программы и результаты обработки экспериментальных данных,а также акт, подтверждающий внедрение УЗПД.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

I. Аналитический обзор и сравнительный анализ существующих методов и устройств ввода ГИ в ПЭВМ выявил необходимость усовершенствования ультразвуковых планшетных дигитайзеров с целью повы-

- го -

иония их быстродействия, точности и эффективного использования в ЛВС ПЭВМ.

2. Исследования метрологических характеристик УЗПД и консг . труктивных элементов его акустического.узла позволили определить параметры его входных и выходных факторов, необходимые для разработки математических моделей АУ У31Щ методами планирования эксперимента и регрессионного анализа.

3. Составлены алгоритм и программа машинного планирования эксперимента АУ УЗПД.позволившие с помощью ЫЧ-последователыюсти чисел наилучшим образом охватить его пространство параметров входных факторов.

4. Разработаны математические модели дУ УЗПД для трех откликов, определяющих точность и быстродействие УЗПД, путем составления систем уравнений регрессий с использованием экспериментальных данных. Проверка полученных моделей по различным критериям подтвердила их адекватность.

5. Многокритериальная оптимизация, полученных моделей позволила расчитать оптимальные параметры■конструктивных элементов АУ УЗПД, удовлетворяющие заданным метрологическим требования!.!.

6. Предложенные новые структурные решения повысили точность и быстродействие УЗДД.

7. Развита концепция функционирования ряда УЗПД в ЛВС ПЭВМ. Осуществлен выбор топологии сети-» физической среды передачи данных и методов доступа к передающей среде и к памяти.

8. Разработан и внедрен УЗПД с повышенными метрологическими характеристиками и с быстродействующими вычислительными устройствами, позволяющий расширить область ого применения при вводе и обработке различной.графической информации в научных исследованиях и автоматизации проектирования.

Основное содержание диссертационной работы изложено в следующих публикациях:

1. Аль-амайрех М.Ф. Оценка быстродействия мультипроцессорных ЭЕМ с множественными потоками команд и данных.- В сб.: тезисы докладов XIII республиканской научной конференции аспирантов вузов Азербайджана, Баку, 1990, с.17.

2. Аль-амайрех Ы.Ф. Ультразвуковой планшетный дигитайзер для ПЭВМ.- В сб.: тезисы докладов научно-технической конференции молодых ученых (аспирантов и студентов), Баку, 1991, с.104.

3. Алиев P.M., Аль-Амайрех М.Ф..Тадиа-заде Д.Ю. Ыногопроцес-

сорная система обработки цифровых сигналов видеоспчктрометра.- В сб.: Новые электронные- приборы и устройства, М.,1991. с.124- 126.

а'.' Алиев P.M., Касимзаде Т.М., Аль-Амайрех М.Ф. Повышение функциональной надежности ультразвукового измерителя координат (дигитайзера).- В сб.: Тезисы докладов II Всесоюзного совещания "Измерения и контроль при автоматизации производствеш-шх процессов" (ИКАПП-91), Барнаул, 1991, часть I, с. 205-206.

5. Алиев P.M., Касимзаде Т.М., Аль-Амайрех М.Ф. Автоматизация ввода чертехчо-кочструкторской документации.- В сб.: Тезисы докладов I Республиканской научно-методической конференции "Системы автоматизированного проектирования в чертежно-конструктор-ских работах", Баку."АзИНЕФТЕХИМ, 1991, с.17.

0. Алиев P.M..Касимзаде Т.М.,Аль-Амайрех М.Ф. Повышение быстродействия функционирования ультразвукового планшетного преобразователя. -Известия ВУЗов .серия Нефть и Газ,1992, .is 5-6. с.65- 68.

7. Заявка if- 5020428/24.- Устройство для считывания графической информации / P.M. Алиев, М.Ф. Аль-Амайрех, Т.М. Касимзаде. Р.К. Мамедов, И.Х. Муратов.- Положительное решение на Еыдачу патента Российской Федерации от 21.07.92.

8. Заявка № 5026439/24.- Устройство для считывания графической информации / P.M. Алиев, 'М.Ф. Аль-Амайрех, Т.М. Касимзаде, Э.К. Мамедов.- Положительное решение на выдачу патента Российс-сой Федерации от 21.07.02.

9. ЗзяЕка а 5026440/24.- Устройство для считывания грзфичес-сой информации / P.M. Алиев, М.Ф. Аль-Амайрех, Т.М. Касимзаде, 3.К. Мамедов, И.Х. Муратов.- Положительное 'решение на выдачу па-?ента Российской Федерации от 21.07.92.

10. Заявка и 5026375/24.-Устройство для считывания графичес-:ой информации / P.M. Алиев, М.Ф. Аль-Амайрех, Т.М. Касимзаде, >.К. Мамедов. И.Х. Муратов.- Положительное решение на выдачу гга-■ента Российской Федерации от 29.09.92.'

II.Заявка № 5026374/24.- Устройство для считывания графичес-:ой информации / P.M. Алиев, М.Ф. Аль-Амайрех, Т.М. Касимзаде, '.К. Мамедов.- Положительное решение на Еыдачу патента Российс-ой Федерации от 09.10.92.

12.Заявка .f 5026373/24.- Устройство для считывания графичес-ой информации / P.M. Алиев, М.Ф. Аль-Амайрех, 'Т.М. Касимзаде, .Ф. Ахундов, Р.К. Мамедов.- Пололэтельное решение на выдачу па-онта Российской >;п<-рг!г.:п; от 09.10.92.