автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.05, диссертация на тему:Устройства сбора информации на основе оптических цифро-аналоговых преобразователей

РГ6 ОД САМАРСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ АЭРСКОСМИЧЕСКИЙ

УНИВЕРСИТЕТ имени академика С.П.Королева

ЗЕЛЕНСКИЙ ВЛАДИМИР АНАТОЛЬЕВИЧ

УСТРОЙСТВА СБОРА ИНФОРМАЦИИ НА ОСНОВЕ ОПТИЧЕСКИХ ЦИФРО-АНАЛОГОВЫХ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ

Специальность 05.13.05 - Элементы и устройства вычислительной техники и систем управления

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

| 5 НОТЛ

На правах рукописи

Самара - 1993

Работа вшолнена в Самарском государственном аэрокосмическом университете имени акад. С.П.Королева

Научный руководитель к.т.н.,доцент В.М.ГРЕЧИШНИКОВ

Официальные оппоненты д.т.н..профессор В.С.СЕМЕНОВ

к.т.н.,доцент Г.И.ЛЕОНОШЧ

Ведущее предприятие указано в решении специализированного совета. И и С/ г,

Защита диссертации состоится "_"_ 1993г.

в _ часов на заседании специализированного совета

Д 063.87.02 Самарского государственного аэрокосмического университета имени акад. С.П.Королева по адресу: 443086, г. Самара, Московское шоссе, 34

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Самарского государственного аэрокосмического университета по адресу: 443086, г.Самара, Московское шоссе, 34.

Автореферат разослан 1993г.

Ученый секретарь

специализированного извета __

к. ф-м.н., доцент

А.А.Калентьев

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность. Управление робототехническими комплексами, конвейерными линиями,, летательными аппаратами происходит в тяжелых эксплуатационных условиях. Для получения достоверной информации в этом случае используются датчики с логическим оптическим выходом. Они характеризуются высокой надежностью, точностью,. устойчивостью к воздействию температуры, влажности, электромагнитного излучения. Наиболее простым видом данного класса первичных преобразователей являются бинарные волоконно-оптические датчики (ВВОД). ВВОД может быть конструктивно-законченным изделием или представлять собой элемент более сложного датчика,, например, кодирующего узла оптоэлектронного щф-рового преобразователя перемещений.

Передачу выходных сигналов датчиков к потребителю (например, управляющей ЭВМ) осуществляют устройства сбора информации (УСИ). При большом числе ВВОД каналы устройств сбора информации мультиплексируются. Это повышает гибкость системы управления, улучшает ее технико-экономические показатели.

С целью защиты информации от внешних помех в качестве физических каналов УСИ используются оптические волокна- (ОВ). Конструкция УСИ при этом представляет собой совокупность опто-механического (0МБ) и оптоэлектронного (ОЭБ) блоков, соединенных между собой с помощью волоконно-оптической линии связи (ВОЛС). ОМБ устройства расположен в непосредственной близости от датчиков, а ОЭБ с помощью ВОЛС вынесен из зоны воздействия внешних дестабилизирующих факторов и находится в более ком -фортных условиях эксплуатации.

Такое техническое решение обуславливает применение оптических методов мультиплексирования - демультиплексирования каналов УСИ. Наибольшее распространение получили спектральный и временной способы мультиплексирования, однако и им присущи существенные недостатки.

Основная сложность спектрального мультиплексирования заключается в создании простых и легко настраиваемых спектрально-селективных элементов, размеры которых были бы соизмеримы с габаритами ВВОД. Применяемые для этих целей интерференцион-

ные фильтры требуют большой мощности оптического сигнала и не обладают достаточно высокой избирательностью. Временное мультиплексирование предполагает импульсный режим работы и применение либо субнаносекундной электроники, либо оптических волокон длиной в несколько десятков^сотен метров.

Увеличение информационной емкости У СИ указанных типов приводит к усложнению их конструктивно-технологических реше -ний, увеличению габаритов и требует применение специальной элементной базы. Поэтому информационная емкость применяемых на практике УСИ со спектральным или временным мультиплексированием составляет не более 3-х каналов, что не удовлетворяет современным требованиям.

Следовательно, задача увеличения информационной емкости при упрощении конструктивно-технологических решений устройств сбора информации с ВВОД является актуальной.

Диссертация связана с научно-технической работой на тему г- "Разработка волоконно-оптических измерительных преобразователей для систем автоматики промышленного и бытового назначения", шифр 01Н-Б006-005, проводимой в рамках целевой комплексной программы "Конверсия".

Цель работы и задачи исследования. Увеличение информационной емкости при упрощении конструктивно-технологических решений устройств сбора информации с ВВОД. Для достижения поставленной цели в работе решались следующие задачи :

- обзор и сравнительный анализ методов мультиплексирования, применяемых в устройствах сбора информации с ВВОД и других датчиков с логическим оптическим выходом ;

- обоснование способа мультиплексирования логических оптических сигналов с помощью их цифро-аналогового преобразования, разработка математических моделей элементов оптических цифро-аналоговых преобразователей (ОЦАП)

- разработка принципов построения, методов обнаружения ошибок и коррекции погрешностей устройств сбора информации на основе ОЦАП ;

- анализ точностных и энергетических характеристик УСИ на основе ОЦАП ;

- оптимизация устройства последовательного сбора инфор-

мации ,*

- практическая реализация полученных результатов.

Методы исследования. При решении поставленных задач использованы методы высшей алгебры, прикладной комбинаторики, численные оптимизационные методы, методы теории графов, теории геометрической и скалярной оптики.

При проведении расчетов на ЭВМ IBM PC АТ-286 использовались алгоритмические языки QbASIC и PAiCA/д-б.

Научная новизна.

1. Впервые применен способ цифро-аналогового преобразования для мультиплексирования оптических логических сигналов в УСИ.

2. Разработаны оптические цифро-аналоговые преобразователи параллельного и последовательного типа, получены и исследованы математические модели элементов ОЦАП.

3. Получены и проанализированы соотношения, связывающие реализуемую информационную емкость УСИ их точностными и энергетическими характеристиками.

4. Разработаны критерии и алгоритмы оптимизации устройства сбора информации на основе последовательного ОЦАП.

Практическая ценность. Разработаны мультиплексные уст -ройства сбора информации с ВВОД и других датчиков с логическим оптическим выходом, способные надежно работать в условиях повышенного воздействия внешних дестабилизирующих факторов -температуры, влажности, электромагнитного излучения.

Устройства на основе ОЦАП позволяют увеличить информационную емкость в 2-3 раза простыми конструктивно-технологическими приемами.

Реализация работы. Устройство сбора информации на основе параллельного ОЦАП внедрено в научно-исследовательском институте физических измерений (г. Пенза). Результаты теоретического и экспериментального исследования разработанных УСИ внедрены в учебный процесс в Самарском государственном аэрокосми*-ческом университете и Поволжском институте информатики, радиотехники и связи.

- б -

Апробация работы. Основные положения диссертации док-? ладывались и обсуждались на Областной научно-технической коь ференции "Молодые ученые и специалисты - народному хозяйств} (Куйбышев,1986), II Всероссийской конференции по механике и управлению движением шагающих машин (Волгоград,1992), Международной научно-технической конференции "Актуальные проблемь электронного приборостроения" (Новосибирск,1992), Республиканской научно-технической конференции "Лазерная технология и ее применение в промышленности России" (Санкт-Петербург, 1992).

Кроме того, работа "Преобразователи сигналов для бинарных волоконно-оптических датчиков" была принята на конкурс рефератов научных работ, организованный Межрегиональной ассоциацией молодых ученых, Центром поддержки интеллектуального творчества молодежи и издательством "Покомаст-Европа", 1993г.

Публикации. По результатам работы опубликовано II печаа ных работ, из них 2 патента и I свидетельство на полезную модель.

Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, заключения, библиографического списка из 108 наименований и приложений. Основная част! работы содержит 126 страниц машинописного текста, 76 рисунков и 22 таблицы.

Основные положения, выносимые на защиту.

1. Применение метода цифро-аналогового преобразования для мультиплексирования оптических логических сигналов.

2. Математические модели элементов назначения веса оптических цифро-аналоговых преобразователей.

3. Функциональные схемы устройств сбора информации на основе параллельного и последовательного' ОЦАП.

4. Критерии и алгоритмы оптимизации устройства сбора информации на основе последовательного ОЦАП.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обосновывается актуальность темы, сформулированы цель и задачи исследования.

В первой главе выполнен сравнительный анализ способов мультиплексирования каналов в устройствах сбора информации с бинарных волоконно-оптических датчиков.

Особенностью устройств сбора информации с ВВОД является применение оптических способов мультиплексирования - спектрального, временного, поляризационного, фазового, модового. На практике распространение получили только первые два способа. Однако и им присущи существенные недостатки.

В случае спектрального мультиплексирования - сложность реализации спектрально-селективных элементов на доступной конструктивно-технологической базе и в габаритах, позволяющих интегрировать их с конструкциями датчиков. В случае временного муль- ' типлексирования - импульсный режим работы, использование суб-наносекундной электроники или оптических волокон длиной в десятки-сотни метров.

Вследствии указанных недостатков информационная емкость применяемых на практике УСИ составляет не более 2-3 каналов, что не удовлетворяет современным требованиям.

Решение этой проблемы заключается в разработке новых способов сбора информации, представленной логическими оптическими сигналами. Устройства, реализующие такие способы, должны иметь большую информационную емкость, обладать конструктивной простотой и обеспечивать высокую достоверность выходных данных.

Во второй главе предложен способ мультиплексирования логических оптических сигналов с помощью их цифро-аналогового преобразования, рассмотрены математические модели ОЦАП и их элементов.

Основная идея заключается в оптическом цифро-аналоговом преобразовании выходных сигналов ВВОД, передачи аналогового оптического сигнала в ОЭБ устройства с последующим преобразованием этого сигнала в электрическую форму, а из аналоговой электрической формы - в цифровой код. УСИ на основе ОЦАП можно рассматривать как Ц -канальный оптоэлектронный мульти -плексор - демультиплексор, число каналов (информационная емкость) которого определяется разрядностью входного оптическо-

го (выходного электрического) кода. Критерием работоспособности УСИ является соответствие входного кода , CLít ..., , представленного оптическими логическими сигналами, выходному электрическому коду {>{ , bi » • • • » Ьп. •

Оригинальным узлом устройства является оптический цифро-аналоговый преобразователь, который может быть выполнен по параллельной или последовательной схеме. Сигнал на выходе па-; раллельного ОЦАП определяется из выражения

В ¿-'

где - весовые коэффициенты,

Oj, - погрешность 1-го элемента назначения веса (ЭНВ),

Ц.i. - погрешность I- го канала сумматора. Выходной сигнал последовательного ОЦАП описывается формулой л а,

где Щ - погрешность 1-го звена умножителя.

В качестве ЭНВ параллельного ОЦАП применен волоконно-оптический аттенюатор (BOA) на основе осевого смещения оптических волокон. Условием достоверности преобразования является ограничение результирующей погрешности ОЦАП половиной младшего разряда. Численный анализ формул для одномодовых и много-модовых ОВ позволил записать условие достоверности преобразования в виде

\

к i I, X) - тдх Í !>[( 1 * AZ), (£ i АХ)]'I

< ^ ,

где X. -осевое смещение, X. - боковое смещение ОВ.

Доказано преимущество использования многомодовых ОВ с точ ки зрения реализации большего числа разрядов. Получены зависимости числа разрядов ОЦАП П. от технологического допуска на осевое смещение для волокон с радиусом сердцевины 25 и 50 мкм (рис.1).

В качестве ЭНВ последовательного ОЦАП предложено использовать растровый оптический аттенюатор (РОА). Растр имеет прямоугольную структуру, изменяющуюся вдоль оси X в соответст-

6

5 4 3

г

110 АН.,МКМ

Рис.1. Зависимость числа

разрядов от допуска на осевое смещение ОВ

-16 сО

Рис.2. Выбор оптимального значения параметра РОА

Г Ьг Иг,

Рис. 3. Функциональная схема УСИ на основе параллельного ОЦАП

и

и

Рис.4. Функциональная схема УСИ на основе последовательного ОЦАП

ВИИ с формулой у..^

С 5(х)с1х

Х-аН

о

где ОС; - координаты границ элементов растра, - функция модового распределения, Ъ - диаметр излучающей поверхности (селфока). Для равномерного модового распределения справедливо со-

отношение п_.|

где функция ТСх) известна из выражения для шторочного волоконно-оптического датчика.

Погрешность коэффициента передачи РОА складывается из погрешности установки растра £у , причем & ~ где - светосила растра ; 1 и относительной погрешности изготовления растра £ц = , где с1 - ширина элемента растра, Дс1 - технологический допуск на ширину элемента растра.

Значения 'Ььах. 0ПРеДеляются из полученных выражений

где £л)=])/о1 - параметр растрового оптического аттенюатора.

На рис.2 построены графики зависимости погрешности £ от £0 для различных величин Ас! , из которых видно, что существует оптимальное значение параметра РОА.

Проведенный анализ позволяет установить взаимосвязь между информационной емкостью УСИ и точностными характеристиками ОЦАП и их элементов.

В третьей главе рассматриваются принципы построения, энергетические характеристики, способы обнаружения ошибок и коррекции погрешностей УСИ на основе ОЦАП.

Функциональная схема устройства параллельного сбора ин -формации приведена на рис.3. В состав устройства входит источник опорного напряжения (ИОН) I, излучатель 2, оптические раз-ветвители (ОР) 3,5, здесь же показаны бинарные волоконно-оптические датчики 4, фотоприемник 6 и АЦП 7.

Напряжение с выхода ИОН I задает ток накачки излучателя 2 и, соответственно, уровень оптической мощности на его выходе. С помощью OB излучение подводится к первому ОР 3, в котором делится на t\. равных потоков, поступающих на входы ВВОД 4. В данной схеме ЭНВ встроен в датчик, а коэффициенты -fei. выбраны в соответствии с законом цифро-аналогового преобразования с естественным порядком весов. Промодулированные сигналы с выходов ВВОД 4 складываются по мощности во втором ОР 5. Полученный сигнал по OB поступает на вход фотоприемника б, где преобразуется в электрическую форму. АЦП 7 преобразует аналоговый электрический сигнал в цифровой параллельный код. Каждый разряд этого кода отображает логическое состояние соответствующего ему датчика.

Функциональная схема устройства последовательного сбора информации изображена на рис.4. В состав устройства входит ИОН I, излучатель 2, И ВВОД 3, фотоприемник 4 и функциональный аналого-цифровой преобразователь (ФАЦП) 5.

Топологический анализ, выполненный с применением теории графов показал, что устройство параллельного сбора информации целесообразно использовать только при сосредоточенном расположении ВВОД на объекте контроля. Применение устройства последовательного сбора информации оправдывает себя как при сосредоточенном, так и при рассредоточенном расположении датчиков.

Произведен расчет энергетических характеристик устройств сбора информации на основе ОЦАП. Выражение для динамического диапазона 0МБ параллельного УСИ имеет вид

где oii - потери ввода излучения от источника в ОВ; оСг -погонные потери в OB ; oiz - потери в соединениях оптических эле -ментов ; oL - потери в ВВОД.

Динамический диапазон последовательного УСИ определяется формулой

f

где ]Ь - потери в ВВОД.

Значения полной шкалы параллельного и последовательного ОЦАД, нормированные к коэффициентам потерь, не зависящих от

"потллл рллтпофптпоиил

Полученные выражения позволяют установить взаимосвязь между информационной емкостью и энергетическими характеристиками У СИ на основе ОЦАП.

Сделан анализ основных видов погрешностей устройств сбора информации. Разработаны схемы автокоррекции погрешности, вызванной деградацией источника излучения. В первой схеме реализован принцип введения структурной избыточности в виде дополнительного канала. Для этого предложено использовать интегрально-оптический разветвитель со ступенчатым делением мощности. Работа второй схемы основана на статистической обработке характерных кодовых комбинаций с помощью микропроцессорной системы.

В четвертой главе рассматривается оптимизация устройства последовательного сбора информации.

Оптимизация проводится с целью получить передаточную характеристику последовательного ОЦАП, при которой обеспечивается максимальное отношение сигнала к шуму на входе фотоприемника

Критерием оптимизации для схемы ФАЦП с индивидуальной установкой уровней компарации является выражение

где ^ - значение квантовых уровней ОЦАП;

Для схемы ФАЦП на основе линейного АЦП и дешифратора критерий оптимизации получается в виде

где 2 д.- значение уровней компарации АЦП.

Математическая модель последовательного ОЦАП представляет собой систему нелинейных уравнений, поэтому получить ска-

>

>

лярную целевую функцию невозможно и приходится решать вектор' ную задачу оптимизации. Выбор весовых коэффициентовt обеспечивающих оптимальную характеристику ОЦАП, производится по алгоритму, разработанному на основе численного метода Хука-Дживса. Суть метода заключается в выборе базисных значений переменных (координат) и поиске искомых значений -{ц в направлении результирующего вектора.

Полученные Ii; могут устанавливаться с максимальным технологическим допуском д-к . Исходя из наибольшего Ак преимущество имеет схема ФАЦП с индивидуальной установкой уровней ком-парации. Схема ФАЩ на основе линейного АЦП и дешифратора до -пускает более гибкое наращивание информационной емкости УСИ.

Проведенная оптимизация позволяет сравнительно простыми конструктивно-технологическими приемами реализовать 3-^4 канала устройства сбора информации на основе последовательного ОЦАП.

В пятой главе дана общая характеристика используемой эле- ". ментной базы, выполнены экспериментальные исследования и приведены примеры практической реализации полученных результатов.

Экспериментальные исследования проводились в три этапа. На первом этапе выполнены эксперименты с элементами назначения веса параллельного и последовательного ОЦАП. Полученная зависимость коэффициента передачи BOA расходится с расчетными данными не более, чем на 19%. Построены гистограммы распределения -fe(x) РОА, отличающиеся от математической модели не более, чем на 14%.

На втором этапе исследовались оптические цифро-аналоговые преобразователи. Отклонение экспериментальной квантовой характеристики параллельного ОЦАП от линейной составило не более 0,2 кванта оптической мощности. Отклонение от расчетной характеристики в случае последовательного ОЦАП составляет не более половины минимального кванта.

Объектом экспериментов на третьем этапе были устройства сбора информации, конструктивно состоящие из оптомеханического и оптоэлектронного блоков, соединенных волоконно-оптическим кабелем. Приведены принципиальные схемы ОЭБ, инструкции по их нстройке и эксплуатации. Текст иллюстрирован фотографиями ис -пользуемых элементов, макетных образцов и экспериментальных установок.

Технические характеристики разработанного устройства сбо-

ра информации на основе параллельного ОЦАП: Вид входной информации -Форма представления выходной информации Число разрядов Быстродействие, мкс Потребляемая мощность ОЭБ, Габариты ОЭБ, мм - 195x85x20

Приведен пример построения олтоэлектронного цифрового преобразователя угла со встроенным параллельным ОЦАП.

оптические логические сигналы электрическая, в виде двоичного кода 4 I

Вт - 2,2

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

1. Выполнен сравнительный анализ способов мультиплексирования каналов в устройствах сбора информации с ВВОД. Увеличение информационной емкости в существующих УСИ происходит за счет усложнения их конструкций, увеличения габаритов и применения специальной элементной базы, что затрудняет практическое использование данных устройств. Обоснована актуальность разработки УСИ с применением новых способов мультиплексирования логических оптических сигналов.

2. Предложен способ мультиплексирования выходных сигналов ВВОД с помощью цифро-аналогового преобразования. Получены и проанализированы математические модели элементов назначения веса ОЦАП.

3. Разработаны функциональные схемы УСИ на основе пареллель ного и последовательного ОЦАП. Выполнен топологический анализ применения разработанных устройств в случае сосредоточенного и рассредоточенного расположения ВВОД на объекте контроля.

4. Установлена взаимосвязь между информационной емкостью, точностными и энергетическими характеристиками полученных устройств. Достигнутая за счет применения простых конструктивно-технологических приемов информационная емкость УСИ на основе ОЦАП в 2-3 раза выше, чем в существующих устройствах аналогичного назначения.

5. Выполнена оптимизация устройства сбора информации на основе последовательного ОЦАП. Оптимизация обеспечивает максимальное отношение сигнала к шуму на входе фотоприемника и максимальное значение технологического допуска на установку весовых коэффициентов ОЦАП.

6. Получено экспериментальное подтверждение результатов математического моделирования и расчетов. Результаты диссертационной работы внедрены в научные исследования и учебный процесс.

Основное содержание диссертации опубликовано в работах:

1. Зеленский В.А. Способ уменьшения шумов и наводок. Тезисы доклада областной научн.-техн. конференции "Молодые ученые и специалисты - народному хозяйству",-Куйбышев,1986.- с.35.

2. Андреев А.И..Губайдуллин P.A..Зеленский В.А. Демодулятор частотно-манипулированного сигнала. Информ. листок №300-89. - Куйбышев: ЦНТИ,1989.

3. Зеленский В.А. Метод поразрядной декомпозиции для диагностики цифрового преобразователя угла.-М.¡ВИНИТИ, №25-В92 от

4 февраля 1992г. - 7с.

4. Зеленский В.А. Оптоэлектронное кодирующее и декодирующее устройство. Информ.листок №106-92.-Самара: ЦНТИ, 1992.

5. Гречишников В.М., Зеленский В.А. Мультиплексированная система бинарных волоконно-оптических датчиков. Тезисы доклада II Всероссийской конференции по механике и управлению движением шагающих машин.- Волгоград,1992. - с.15-16.

6. Гречишников В.М., Зеленский В.А. Волоконно-оптический цифровой преобразователь перемещений. Доклад международной на-учн.-техн. конференции "Актуальные проблемы электронного приборостроения".- Новосибирск,1992. -CI28-I32.

7. Гречишников В.М., Данилов A.B., Зеленский В.А. Мультиплексированная волоконно-оптическая система с лазерным источником излучения. Тезисы доклада Республиканской научн.-техн. конференции "Лазерная технология и ее применение в промышленности России". - Санкт-Петербург,1992. - с.7.

8. Зеленский В.А. Оптимизация весовых коэффициентов последовательного волоконно-оптического цифро-аналогового преобразователя. -М.: ВИНИТИ, №352-В93 от II февраля 1993. - 6с.

9. Гречишников В.М.,Зеленский В.А. Преобразователь переме^ щения в код. Решение о выдаче патента по заявке №4930805 от

28 мая 1993г.

10. Гречишников В.М.,Зеленский В.А. Волоконно-оптическая информационно-измерительная система. Решение о выдаче патента по заявке № 5040513 от 30 августа 1993г.

11. Гречишников В.М.,Зеленский В.А. Преобразователь угол-код.Решение о выдаче свидетельства на полезную модель по заявке №4950369 от 9 сентября 1993г.