Исследование и разработка интегрирующих измерительных преобразователей с программируемыми весовыми функциями

Состояние вопроса и актуальность темы.

Последнее десятилетие развитие информационно-измерительной техники шло по пути все большего использования цифровой обработки данных, появления цифровых датчиков, полностью цифровых систем управления, что безусловно связано с появлением высокопроизводительных и недорогих средств вычислительной техники, в частности микроконтроллеров широкого применения. Благодаря последним открываются новые возможности преодоления основного недостатка традиционных методов аналого-цифрового преобразования — «неуправляемости» динамических характеристик измерительного канала на этапе аналоговой (непрерывной) формы представления измерительной информации.

В последние годы началось широкое внедрение беспроводных автономных интеллектуальных датчиков, которые могут объединяться через цифровые интерфейсы в единую информационную измерительную систему с распределенными аппаратно-программными ресурсами. Требование программного управления динамическими характеристиками измерительных каналов и процессом измерения является закономерным для подобных систем и диктуется общими системными требованиями к элементам интегрированных цифровым систем управления, контроля, диагностики, обнаружения и распознавания образов, в которых измерение параметров физических процессов осуществляется беспроводными интеллектуальными датчиками с цифровыми интерфейсами.

В условиях увеличения массовости производства средств измерений (СИ) и их специализации для конкретных технологических задач и областей применения возрастает роль унификации аппаратно-программных средств информационно-измерительных систем (ИИС). Унификация необходима для повышения интеграции ИИС, снижения стоимости, временных затрат на разработку и расширения рынка сбыта. Средства измерения, в состав которых входят измерительные преобразователи с программно управляемыми" динамическими характеристиками в значительной мере помогут в решение задачи унификации СИ и ИИС.

Перечисленное выше является стимулом для развития теории и практики проектирования измерительных преобразователей, с учетом развития микроэлектронной техники и общей тенденции к использованию коммерческих технологий. Особое место среди измерительных преобразователей (ИП) занимают преобразователи высокого класса точности обладающие высокой технологичностью и расширенными функциональными возможностями, например, помехоустойчивостью. Для измерения низкочастотных сигналов традиционным лидером подобных ИП являются интегрирующие ИП (ИИП), относящиеся к классу интегрирующих развертывающих преобразователей (ИРП) [15,52,90,95,97]. Важно то, что динамические характеристики ИИП задаются весовой функцией (ВФ), которая реализуется аппаратно-программным путем с высокой точностью. Класс реализуемых ВФ в рамках известных структур ИИП весьма широк, что позволяет решать многие задачи проектирования СИ входящих в состав современных информационно-измерительных системам с распределенными аппаратно-программными ресурсами.

Поэтому исследование и разработка интегрирующих измерительных преобразователей с программируемыми ВФ является актуальной научно-технической проблемой.

Развитие теории и практики построения ИИП насчитывает более 20 лет. Этой тематикой занимались научные школы, возглавляемые отечественными учеными: Гутниковым B.C., Орнатским П. П., Новицким П. В., Шаховым Э. К., Шляндиным В. М. и другими. Как показал анализ последних разработок в этой области, развитие теории и практики ИИП продолжается и в настоящее время, что обусловлено прогрессом в области средств цифровой обработки информации. Происходит постоянное развитие по пути повышения интеграции элементов ИИС.

В настоящее время ведутся интенсивные исследования в области разработки беспроводных интеллектуальных датчиков и построения на их основе измерительных систем с многочисленными и недорогими миниатюрными автономными датчиками. Так Управление перспективных исследований министерства обороны США (DARPA) осуществляет в этом направлении целый ряд программ, наиболее важные из которых следующие [66,68,101,110,104,110]:

— программа по созданию микроминиатюрных автономных датчиков (micro unattended ground sensors) ведется с 90-х годов;

— программа «Tactical Sensor Program» ведется с 1998 г. и направлена на разработку микроминиатюрных автономных датчиков для систем тактического назначения;

— программа «Wireless Integrated Network Sensors» (беспроводные интегральные сетевые датчики) целью которой является усовершенствование первичных преобразователей неэлектрических величин в электрические, аналого-цифровых преобразователей, цифровых процессоров.

— программа Smart Dust («Умная пыль») целью которой является создание распределенной мобильной системы наблюдения за военными действиями в реальном масштабе времени на базе микроминиатюрных автономных датчиков. По вычислительным возможностям каждый датчик в перспективе должен соответствовать процессору «Intel 8086» .

На примере данных целевых программ видна общая тенденция развития измерительных систем, в основу которой положен принцип модульности, согласно которому измерительная система состоит из множества подсистем, взаимодействующих через унифицированные интерфейсы. В качестве таких модулей используются беспроводные сетевые интеллектуальные датчики.

Модульность способствует улучшению стоимостных характеристик приборов, поскольку каждый модуль может быть использован многократно в разных приборах. Эта тенденция наблюдается в современных СИ, которые строятся из унифицированных модулей с использованием микроконтроллеров, что позволяет создавать интеллектуальные измерительные приборы с развитыми возможностями по цифровой обработке информации, поступающей от первичных преобразователей.

При проектировании модульных систем возникают задачи, решения которых в рамках известных в измерительной технике методов не эффективны. В этой связи актуально развитие и внедрение методов проектирования ИИС в которых используется опыт смежных областей науки и техники. Это предполагает использовать метод аналогии, переноса и заимствования научно-технических результатов из смежных технических областей, в которых получены значительные достижения, и разработаны инструментарии для решения поставленных задач. Примером может служить применение теории и методов цифровой фильтрации для решения задач проектирования помехоустойчивых интегрирующих АЦП, достижений в области цифровой вычислительной техники для развития концепции виртуальных измерительных приборов и интеллектуальных датчиков. Можно сказать, что на современном этапе метод «переноса» стал одним из основных методов совершенствования и развития СИ, в частности, ИИП.

Функции по цифровой обработки информации в ИИС включают в себя управление процессом измерения, обмена, отображения и документирования информациипервичную обработку информации (накопление, определение заданных параметров, фильтрация, коррекция и др.), вторичную обработку информации (спектральный и многомасштабный анализ, идентификация и др.).

Разделение на первичную и вторичную обработку информации является в известной степени условным. К первичной обычно относят обработку информации, которая может быть выполнена по мере поступления, а ко вторичной относят обработку, требующую продолжительного времени и большого объёма вычислений. Построение и использование специализированных микропроцессоров позволяет без существенных временных задержек выполнять также обработку информации, отнесенную ко вторичной.

Функции по преобразованию и обработке информации в ИИС могут быть решены с помощью аналого-цифровых измерительных систем с развитыми функциональными возможностями. В этом отношении весьма перспективным является использование ИИП с программируемой ВФ на базе микроконтроллеров, в состав которого входят: аналоговый фильтр, дискретизатор, АЦП, цифровой фильтр, цифровой вычислительный модуль, ЦАП и сетевой модем.

Внедрение компьютерных методов проектирования с использованием сложных математических моделей, делает актуальным разработку обобщенных математических моделей СИ и ИП, которые необходимы для развития методов проектирования использующих современные математические пакеты имитационного моделирования и аналитических расчетов, таких как MATLAB 6.0 Simulink-4, Mathematica-4. Их внедрение даст возможность расширить класс и повысить уровень сложности задач инженерного проектирования СИ.

Цели и задачи исследования.

Целью настоящей диссертационной работы является разработка теории и методов интегрирующих измерительных преобразователей с программируемыми весовыми функциями как базового элемента измерительных приборов и систем с развитыми функция по цифровой обработке информации и управлению измерительным процессом, с учетом современных требований и перспективы развития микроэлектроники и информационных технологий. Исходя из изложенной выше оценки состояния исследований и разработок ИИП, для достижения указанной цели необходимо решить следующие основные задачи:

Выявление тенденции и прогноз развития преобразователей информации (ИП) и ИИП, как важнейшего подкласса ПИ, для определения потенциальных возможностей их совершенствования, связанных с достижениями в области микроэлектроники и информационных технологий.

Анализ структур и моделей ИИП для разработки обобщенной модели и структуры ИИП с программируемыми ВФ, которая содержит типовые элементы: АЦП, ЦАП, АФ, ЦФ и может быть реализована в рамках универсальных сигнальных микропроцессоров, входящих в состав интеллектуальных цифровых датчиков.

Анализ математических свойств класса ВФ, которые могут быть реализованы в рамках известных структур ИИП, и выявления свойств, полезных для решения задач синтеза ВФ и новых структур ИИП, оптимальных по совокупности параметров: точность, быстродействие, помехоустойчивость.

Разработка методик синтеза и инженерного проектирования ИИП с программируемыми ВФ. Поиск эффективных технических решений в рамках априорно заданных структур ИИП для конкретных технических областей применения. Методики синтеза и инженерного проектирования ИИП должны быть ориентированы на достижения современной микроэлектронной базы и учитывать тенденцию ее развития в направлении использования дешевых сигнальных процессоров широкого применения, имеющих ограниченные технические возможности по разрядности АЦП, ЦАП, арифметическим операциям, объему памяти и быстродействию.

Использование потенциальных возможностей цифровых методов обработки измерительной информации и математического моделирования объектов измерения и измерительных каналов с целью совершенствования характеристик измерительной аппаратуры на базе ИИП с программируемыми ВФ.

Основные положения, выносимые на защиту.

Систематизация ВФ, реализуемых в классе известных структур ИИП, позволяющая выделить наиболее важные из них с точки зрения перспектив совершенствования и расширения области применения ИИП с программируемыми ВФ.

Математическая модель ИИП в виде линейной замкнутой структуры и аналитическое решение задачи обеспечения её устойчивости, что позволило решить задачу оптимизации динамических характеристик.

Обобщенная структура и методика расчета помехоустойчивых ИИП с программируемыми ВФ и алгоритмов цифровой коррекции динамической погрешности представления информации.

Обобщенная методика синтеза алгоритма цифровой коррекции динамической погрешности вызванной неравномерность АЧХ ИИП для заданного частотного интервала коррекции и класса ВФ.

Методика синтеза каскадного аппаратно-программного алгоритма реализации ВФ в ИИП, входящих в состав цифровых сетевых датчиков, объединенных в ИИС с распределенными аппаратно-программными ресурсами.

Структура универсального аналого-цифрового и цифроаналогового преобразователя на базе ИИП с программируемой ВФ, и инженерная методика его расчета, включающая: расчет устойчивости, задание типа передаточной функции непрерывной и цифровой части, обеспечение заданной помехоустойчивости и точности аналого-цифрового преобразования.

Алгоритм цифровой коррекции ВФ для устранения инструментальной погрешности, вызванной отклонением значений постоянных времени R С интеграторов, входящих в состав ИИП, основанный на использовании математического условия финитности импульсной характеристики.

Содержание работы.

Во введении дана характеристика состояния вопроса, обоснована актуальность темы, сформулированы цели и задачи исследования, основные положения, выносимые на защиту.

В первой главе исследованы тенденции развития, приведена классификация ВФ и структур ИИП, анализируются направления их совершенствования.

Во второй главе исследована обобщенная математическая модель ИИП, проанализирована устойчивость ИИП замкнутого типа, алгоритм цифровой коррекции устранения инструментальной погрешности, вызванной отклонением значений постоянных времени RC интеграторов, проведен анализ динамической погрешности ИИП и рассмотрен алгоритм ее цифровой коррекции в заданных частотных интервалах для различных вариантов ВФ.

В третьей главе исследованы варианты обобщенной структуры ИИП. Выбрана и обоснована структура универсального аналого-цифрового фильтра на базе ИИП с программируемой ВФ. Проведен анализ погрешностей, связанных с погрешность квантования АЦП, ЦАП, шумами операционных усилителей интеграторов АФ и предложена методика синтеза оптимальных по данному критерию структур ИИП.

В четвертой главе приведены варианты реализаций структур ИИП и алгоритма синтеза ВФ для решения практических задач по проектированию датчиковой аппаратур технических средств охраны.

В Приложениях приводятся документы о внедрении результатов работы и дополнительные материалы по отдельным аспектам исследуемой темы.

Апробация работы.

По теме диссертации опубликовано 18 печатных работ. Основные результаты диссертационной работы были представлены на международных научно-технических конференциях: «Всероссийская конференция „Современные охранные технологии и средства обеспечения комплексной безопасности объектов“, (г. Заречный Пензенской обл., 2002)» «Четвертая Всероссийская научно-техническая конференция (Computer-Based Conference) „Методы и средства измерений“ (Нижний Новгород, 2002)», «Пятая Всероссийская научно-техническая конференция (Computer-Based Conference) „Информационные технологии в науке, проектировании и производстве“, (Нижний Новгород, 2002)» ,. «Международная конференция „Континуальные алгебраические логики, исчисления, нейроматематика в науке, технике и экономике“ (Ульяновск 2002)», «Международная научно-техническая конференция „Измерения- 2002“, (Пенза, 2002)», «Научная сессия МИФИ 2002 (Москва, 2002)» ,.

Реализация работы.

Предложенная инженерная методика проектирования помехоустойчивых ИИП с программируемыми ВФ и алгоритмы цифровой коррекции сигналов датчиковой аппаратуры в системах технических средств охраны внедрена в научно-исследовательском и конструкторском институте радиоэлектронной техники ГУП «СНПО Элерон» (НИКИРЭТ), г. Заречный.

Автор считает своим долгом выразить благодарность руководителю д.т.н. Чувыкину Б. В. за научное руководство и помощь в проведении исследований, а также д.т.н. Шахову Э. К. за конструктивное обсуждение результатов работы.

Список сокращений.

СокраНаименование щение.

АЗУ Аналоговое запоминающее устройство.

АФХ Амплитудно-фазовая характеристика.

АЦП Аналого-цифровой преобразователь.

АЦФ Аналого-цифровой фильтр

АФ Аналоговый фильтр

БПФ Быстрое преобразование Фурье.

БИХ Бесконечная импульсная характеристика.

ВФ Весовая функция.

ДХ Динамическая характеристика.

ДЧ Дискретная часть.

ИД Интегрирующий дискретизатор

ИП Измерительный преобразователь.

ИРП Интегрирующие развертывающие преобразователи.

ИИП Интегрирующий измерительный преобразователь ик Измерительный канал иит Информационно-измерительная техника.

ИС Интегральная схема.

ИФ Измерительный фильтр их Импульсная характеристика иэ Импульсный элемент.

ОС Обратная связь.

ОУ Операционный усилитель пи Преобразователь информации.

ПВФ Программируемая весовая функция.

РФ Режекторный фильтр

СИ Средство измерения.

ССО сейсмическое средство обнаружения.

КИХ Конечная импульсная характеристика.

КОС Канал обратной связи.

КПП Канала прямого преобразования.

ММ Математическая модель.

НЧ Непрерывная часть.

ФВЧ Фильтр верхних частот.

ФНЧ Фильтр нижних частот.

ФФ Финитная функция.

ЦАП Цифроаналоговый преобразователь.

ЦАФ Цифроаналоговый фильтр

ЦФ Цифровой фильтр

ШИМ Широтноимпульсная модуляция.

MEMS Microelectromechanical systems (микроэлектромеханические системы).

DARPA Управление перспективных исследований министерства обороны США SOC Systems on Chip (системы на кристалле) STIM (Smart transducer interface modules) интерфейсные модули интеллектуальных преобразователей TEDS (transducer electronic data sheets -) электронные карты данных преобразователя.

4.6. Выводы.

В качестве заключения следует отметить, что полученные положительные результаты решения поставленной задачи по разработке общего принципа и методики инженерного проектирования помехоустойчивых измерительных каналов ССО полностью опираются на возможности проведения сложных аналитических расчетов и имитационного моделирования с использованием последних версий MATLAB 6.0 Simulink-4, Mathematica-4.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

В диссертационной работе получены результаты:

1. Систематизированы элементы теории проектирования измерительных преобразователей с программируемыми весовыми функциями, относящихся к классу линейных импульсных систем.

2. Показаны пути повышения точности измерений многокомпонентных измерительных сигналов за счет изменения динамических характеристик ИП путем перепрограммирования ВФ для минимизации погрешности измерения заданной информативной составляющей измерительного сигнала.

3. Разработана методика оценка методической погрешности интегрирующих измерительных преобразователей замкнутого типа, обусловленной неравномерностью амплитудно-частотной характеристики и ее коррекции путем введения в структуру измерительного преобразователя корректирующего цифрового фильтра с конечной импульсной характеристикой.

4. Определены математические условия устойчивости интегрирующих измерительных преобразователей замкнутого типа с программируемыми весовыми функциями, которые положены в основу разработанного метода цифровой коррекции погрешности задания постоянных времени интеграторов непрерывной части измерительного преобразователя.

5. Разработана методика проектирования измерительных каналов на базе интегрирующих измерительных преобразователей замкнутого типа с программируемыми весовыми функциями для датчиковой аппаратуры систем обнаружения и распознавания в технических средств охраны;

6. Основные теоретические результаты по диссертационной работе были использованы для решения практических задач по проектированию помехоустойчивых измерительных каналов с программным управлением процессом преобразования измерительных сигналов представленных в непрерывной, дискретной и цифровой форме.