Исследование функциональных устройств вычислительной техники и систем управления на базе цепных моделей

Впечатляющие достижения в различных областях науки и техники невозможны без совершенствования средств вычислительной техники и систем управления, участвующих сбором, преобразованием и передачей всего многообразия измерительной информации.

Наиболее распространенной структурой, реализующей широкий класс преобразователей СУ и устройств ВТ, является цепная структура. Это цифро-аналоговые преобразователи и первичные преобразователи с частотным и фазовым выходом, масштабные преобразователи и корректирующие звенья, схемы замещения большого класса преобразователей с распределенными параметрами и линий связи, модели устройств различной физической природы и т. д. Поэтому разработке обобщенного метода анализа однородных, неоднородных, распределенных структур преобразователей и устройств, позволяющего на этапе проектирования наиболее полно исследовать их различные характеристики и посвящена данная работа.

Общепризнано, что наиболее существенные классификационные признаки определяются, прежде всего видом структурной схемы, которая отображает метод преобразования и дает возможность проведения широких обобщений, не связанных с особенностями конкретного схемотехнического исполнения отдельных устройств ВТ и преобразователей СУ. Однако, анализ известных методов исследования и проектирования устройств с ЦС показал, что они по существу в большинстве случаев не позволяют проводить в общем виде разработку устройств и преобразователей, имеющих в своем составе неоднородные и распределенные структуры.

Исходя из этого, мы отказались от привлекательного пути, состоящего в исследовании и разработке какого-то одного вида преобразователя, что вызвало необходимость совершенствования методов объективного описания процессов в устройствах СУ с комбинированной цепной структурой для проведения анализа преобразования, выявления характерных особенностей ЦС, исследования различных характеристик, а также проектирования преобразователей по заданным рабочим характеристикам с учетом их работы в канале преобразования и передачи информации.

С позиций понятия функции преобразования проведены исследования рабочих, точностных и выходных характеристик устройств с ЦС, а также резонансных состояний преобразователей с распределенными параметрами. Определены условия оптимального согласования входных и выходных параметров преобразователей с другими устройствами. Решены вопросы синтеза преобразователей с ЦС по нескольким критериям, предъявляемым к элементам, синтезированы многозвенные преобразователи с частотным и фазовым выходами.

Проанализированы источники методической погрешности моделирования преобразователей с распределенными параметрами и даны способы их устранения. Рассмотрены вопросы нормирования погрешностей выходных характеристик преобразователей ЦС по допускам разброса параметров элементов структуры.

В современной технике использование электрической энергии в силу известных достоинств получило преимущественное распространение. В связи с этим наиболее перспективной группой преобразователей информации являются преобразователи параметров, характеризующих электрические процессы и цепи. Выходными величинами преобразователей обычно являются параметры электрических цепей и сигналов такие, как активное, индуктивное или емкостное сопротивление, напряжение, э.д.с., частота или фаза переменного тока, частота следования и длительность импульса и другие параметры.

Большинство известных устройств и преобразователей обладают в некоторой степени универсальностью и могут быть использованы при решении разнообразных задач, в том числе и при разработке СУ автоматизированными измерительно-диагностическими комплексами в медицине. Однако, при реализации конкретной проблемы целесообразно выделить наиболее важные условия работы преобразователя, на основе которых выбрать ЦС наиболее эффективно удовлетворяющую поставленным целям. Для этого надо знать свойства входной активной величины, основные характеристики преобразователя и условия его работы.

В настоящее время успехи здравоохранения определяются не только достижениями в области разработок современных средств диагноза, методов профилактики и лечения, но и созданием единого информационного пространства — геоинформационной системы (ГИС), охватывающая все лечебно-профилактические учреждения региона, открывающая перспективы мониторинга за состоянием здоровья каждого человека и создания его иммунного паспорта, начиная уже с дородового периода. Для создания подобной ГИС требуется, кроме всего, использование современных и разработка новых технологий и алгоритмов передачи и обработки информации по различным линиям и каналам связи. И, наконец, потребуется разработка ряда устройств сопряжения и интерфейсов, необходимых для обеспечения стыка аппаратуры и диагностической техники различного назначения в медицинских учреждениях и лабораториях. Признанное мировым сообществом стратегическое направление развития электросвязи в XXI веке является создание широкополосных цифровых сетей интегрального пользования [1] на базе асинхронного режима доставки информации, являющейся качественно новым этапом построения транспортных технологий сетей связи. На этой основе уже строятся [2] многочисленные корпоративные сети различного назначения во многих странах мира. Все это вызывает к необходимости поиска экономичных путей организации доступа любого абонента в любом регионе и местности к всемирной паутине, столь необходимой для построения ГИС в здравоохранении. В связи с этим представляет несомненный интерес использование для абонентского подключения к широкополосным цифровым сетям всех ресурсов инженерных коммуникаций регионов, в числе которых городские и ведомственные телефонные сети, системы коллективного приема телевидения (СКПТВ) и, наконец, силовых электрических сетей городов и населенных пунктов.

Для городов весьма перспективным и экономичным является построение ГИС на базе уже существующих СКПТВ благодаря лучшим частотным характеристикам, высокой доступности и охвата более 70% жилого фонда. Во многих крупных городах ведется реконструкция СКПТВ с целью увеличения полосы пропускания, организации обратного канала и создания на этой базе систем скоростной передачи информации [3].

Одним из перспективных по доступности и дешевизне способом абонентского подключения является использование распределительных силовых электросетей (РСЭ) с напряжением 0,4 кВ в качестве среды передачи информации. Интерес к организации каналов связи по силовым электрическим цепям различного уровня возник давно, поскольку они доходят до каждой организации и квартиры. Однако, коммуникационные параметры таких линий связи существенно меняются во времени и в зависимости от уровня потребления энергопотребления. Кроме того, необходимо учитывать шунтирующие действия нагрузок, места, подключения которых меняются. Развитие современных цифровых методов обработки сигналов и способов высокоскоростной передачи данных по РСЭ привело к появлению [4] технологии Power Line communications (PLC). Более 15 ведущих производителей в мире начали производить оборудование для организации PLC-сетей емкостью 350−500 абонентов каждая. Очевидные преимущества реализации подобного абонентского доступа по сравнению с другими решениями стимулируют внедрение новых технологий в решении проблемы «последней мили».

Таким образом, ГИС города и региона в целом будет представлять собой объединение волоконных, коаксиальных, медных и алюминиевых сетей с обеспечением абонентского доступа по одной физической линии. Такая гибридная сеть, использующая различные технологии, должна быть обеспечена интерфейсами и устройствами сопряжения для согласования не только электрических характеристик линий связи и распределения сигналов, но и всего многообразия диагностической медицинской и вычислительной техники, находящейся в стационарах и мобильных лабораториях.

В подобной многофункциональной широкополосной интерактивной сети помимо предоставления абонентам большого набора услуг появляется возможность, при необходимости, проведения дистанционного обследования нетранспортабельных пациентов на дому [5] с помощью аппаратуры, находящейся за сотни километров в клиниках и лечебных учреждениях. Кроме того, появляется возможность дистанционного тестирования от фирм производителей сложнейшей медицинской техники (компьютерных томографов, аппаратуры УЗИ и т. д.) и их метрологической аттестации из центров стандартизации. Но самое главное, что такая стратегия построения ГИС дает возможность организации динамического слежения активного воздействия различных факторов химической, физической и биологической природы, как на отдельные органы, так и на иммунную систему человека в целом и оперативной локализации очагов эпидемий, выявления границ экологических катастроф и т. д.

Структура ГИС включает в себя три уровня: региональный (республиканский), районный и уровень лечебно-профилактических учреждений. Автор принимала участие совместно с учеными С.- Петербурга и Башкортостана в разработке региональной СУ телемедициной [6] для Минздрава РБ, объединяющей лаборатории СПИД городов Стерлитамака, Салавата, Октябрьского и Уфы, где одним из важных аспектов является использование существующих коммуникаций для организации каналов связи. Однако, традиционные методы анализа подобных цепей не позволяют с достаточно точно учитывать влияние параметров аппаратуры и неоднородностей в линиях связи на затухание, полосу пропускания и переходные характеристики каналов, организованных на подобных линиях.

В связи с этим исследования, направленные как на разработку СУ медицинской аппаратуры, так и эффективных методов и алгоритмов анализа и синтеза всей тракта преобразования информации, состоящего из устройств преобразования первичной и вторичной информации, сопряжения медицинской и каналообразующей аппаратуры [7], линий связи, элементов вычислительной техники и т. д., является актуальной технической задачей.

Методы исследования.

Основные результаты диссертационной работы получены с использованием положений теоретических основ и электроники, методы континуант, функций преобразования и принцип дуальности преобразования, теории рядов и дифференциального исчисления. Применялись методы численного и компьютерного моделирования. Проведены натурные испытания устройства сопряжения ПЭВМ с иммуноферментным анализатором крови при создании автоматизированного измерительно-диагностического комплекса иммуноскрининга с автоматизацией передачи результатов анализа в Башкирский республиканский центр телемедицины Минздрава РБ.

Научная новизна работы заключается в следующем:

• Разработана оригинальная методика анализа однородных и неоднородных устройств (Свидетельство об официальной регистрации программы для ЭВМ № 2 002 610 748/ 22.05.2002. Роспатент. Москва. 2002), имеющих цепную структуру (ЦС), и устройств с распределенными параметрами, позволяющая эффективно исследовать весь тракт преобразования информации любой сложности с единых позиций.

• Разработана методика проектирования устройств ЦС с заданной погрешностью выходных характеристик, удовлетворяющих условию их взаимозаменяемости при производстве и эксплуатации устройств ВТ и СУ.

• Разработаны методики определения выходных частот квазирезонанса преобразователей с RCи LCфазирующими четырехполюсниками любой сложности (Свидетельство об официальной регистрации программы для ЭВМ № 2 003 611 147/ 16.05.2003. Роспатент. Москва. 2003) и моделирования устройств СУ с RCи LCраспределенными параметрами без методической погрешности.

• Разработана методика синтеза устройств с цепной структурой, одновременно удовлетворяющая значениям функции преобразования и входного или выходного сопротивления (Информационный бюллетень ВНТИЦ, Per. №.

50 200 200 246.: Алгоритмы и программы, № 2, 2003. — РТО 11 с. ISSN 3 200 884), что позволяет обеспечивать оптимальное согласование устройств, участвующих в последовательной цепочке преобразования измерительной информации.

Практическая значимость результатов:

• Получены компактные алгоритмы анализа элементов и устройств СУ и ВТ с цепной структурой, отличающиеся малым числом команд при реализации программы на ПЭВМ.

• Разработаны инженерные методики расчетов частот RCи LCпреобразователей, а также активных величин, чувствительности, входных сопротивлений и коэффициентов преобразования устройств с ЦС. Методики внедрены в учебный процесс при выполнении дипломных и курсовых проектов, при чтении лекций по дисциплинам «Устройства приема и обработки сигналов» и «Направляющие системы в электросвязи» в Уфимском государственном авиационном техническом университете.

• Получены оценки погрешностей влияния нагрузки на частоту генерации преобразователей ЦС с частотным выходом и моделирования устройств с распределенными параметрами традиционными методами.

• Разработаны алгоритмы системы управления автоматизированным измерительно-диагностическим комплексом для иммуноскрининга и устройство сопряжения иммуноферментного анализатора крови с ПЭВМ, внедренные в учреждения Минздрава РБ.

Новые научные результаты, выносимые на защиту:

1. Методика исследования элементов и устройств вычислительной техники и систем управления, имеющих однородные, неоднородные и распределенные структуры, а также всего тракта преобразования информации из различных комбинаций подобных структур.

2. Методика моделирования и синтеза преобразователей с частотным и фазовым выходом, линий задержек, ЦАП и других устройств с распределенными и сосредоточенными параметрами с учетом нормирования погрешности выходных характеристик.

3. Алгоритмы исследования устройств систем управления и их моделей, имеющих цепную структуру, в том числе для определения частот квазирезонанса RCи LC-преобразователей любой сложности.

4. Результаты исследования методической погрешности моделирования преобразователей с распределенными параметрами и метод ее устранения.

5. Результаты исследования влияния параметров нагрузки на рабочие характеристики преобразователей с частотным выходом.

6. Алгоритмы системы управления автоматизированным измерительно-диагностическим комплексом иммуноскрининга и устройство сопряжения им-муноферментного анализатора крови с ПЭВМ.

Основание для выполнения работы.

Работа выполнена на кафедре телекоммуникационных систем УГАТУ в соответствии с Приказом МЗ РФ № 344 от 27.08.2001, «Концепция развития телемедицинских технологий в Российской Федерации и план ее реализации» и планом Российской Академии медицинских наук в вопросах использования и развития телемедицинских технологий, а также по хоздоговорным НИР на темы: «Автоматизированный информационно-измерительный и диагностический комплекс для имуноскрининга» с Минприроды и ЧС РБ № 1/95, «Окружающая среда и здоровье населения РБ» с академией наук РБ № 112/АНБ и АП-КС-13−05-ХГ «Разработка мультиплексора потоков Е1» с ОАО БЭТО (г.Уфа).

Апробация работы и публикации.

Основные положения и результаты работы докладывались и обсуждались на научных конференциях различного уровня. Среди них:

Международная молодежная научно-техническая конференция «Интеллектуальные системы управления и обработки информации» г. Уфа, 2001;

Международная молодежная научно-техническая конференция «XXVIII и XXIX Гагаринские чтения» г. Москва, 2002 — 2003;

Третья Всероссийская научно-практическая конференция «Проблемы прогнозирования, предупреждения и ликвидации чрезвычайных ситуаций» г. Уфа, 2002;

Третья, Четвертая и Пятая международные научно-технические конференции «Проблемы техники и технологии телекоммуникаций» г. Уфа г. Самара, 2002 — 2004;

XXIX международная конференция «Информационные технологии в науке, образовании, телекоммуникации и бизнесе Information Technologies in Science, Education, Telecommunication and Business IT + SE' 2002» Ялта-Гурзуф, 2002;

Девятая международной конференции «Радиоэлектроника, электротехника и энергетика», г. Москва, 2003;

VIII международная научно-методическая конференция вузов и факультетов телекоммуникаций, г. Москва, 2004.

Основные результаты диссертационной работы отражены в 24 публикациях, в том числе 16 трудах конференций, 6 статьях и 2 свидетельствах об официальной регистрации программ для ЭВМ.

Основное содержание работы.

Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, библиографии и приложения.

4.6. Выводы к главе IV.

1. Использование ФП позволило создать общие алгоритмы исследования устройств ЦС и определение их резонансных состояний, которые необходимо учитывать при проектировании проводных СУ из-за их более глубокого влияния на предаваемую информацию, чем просто в виде затухания, задержек и т. п. как это рассматривается традиционно в большинстве случаев.

2. ФП позволяют по результатам измерений входного иммитанса на двух частотах получить соотношения, однозначно определяющие место и иммитанс в месте повреждения линий связи (жилы или изоляции), что позволяет прогнозировать возникновение аварий.

3. Исследования методической погрешности LCи ЯС-схем замещения линий связи и устройств с распределенными параметрами показали, что проектирование синтезаторов частот, генераторов и фазовращателей, использующих искусственные /?С—линии, по методам [27, 28] вносит большую (порядка 3,6% даже для 40-плечей схемы) погрешность.

4. Получены аналитические выражения полностью исключающие методическую погрешность моделирования длинных линий и схем замещения устройств с распределенной структурой.

5. Исследовано и определено влияние нагрузки на инструментальную погрешность синтезаторов и генераторов частот.

6. Разработана методика оценки допускаемых границ систематической погрешности элементов ЦС при проектировании устройств СУ и ВТ с заданной погрешностью выходных характеристик.

7. Разработаны алгоритмы и структура системы управления автоматизированным измерительно-диагностическим комплексом, содержащим в схемах устройства с цепной структурой (масштабирующие преобразователи, ЦАП, корректирующие звенья и т. д.), позволяющие управлять системой из регионального центра телемедицины.

По некоторым материалам главы опубликованы работы [52, 54, 56, 61 -64, 66, 69 — 73].

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

Результаты исследований обеспечивают существенное упрощение ряда задач анализа и синтеза устройств вычислительной техники и систем управления, имеющих цепные структуры, с учетом требований к рабочим характеристикам, использованию минимального числа номиналов элементов, условиям согласования входных и выходных сопротивлений, к нормированию погрешностей выходных параметров, а также минимизации погрешностей моделирования линий связи и преобразователей с распределенными параметрами.

Научная и практическая значимость диссертационной работы подтверждается следующим:

1. Разработана методика анализа элементов и устройств ВТ и СУ, имеющих однородные, неоднородные и распределенные структуры. (Свидетельство об официальной регистрации программы для ЭВМ № 2 002 610 748/ 22.05.2002. Роспатент. Москва. 2002).

2. Разработаны алгоритмы исследования, отличающиеся малым числом команд и инженерные методики расчета характеристик функциональных устройств с цепной структурой (Информационный бюллетень ВНТИЦ, Алгоритмы и программы, № 2, 2003. — РТО 11 с. ISSN 0320−0884).

3. Разработана методика синтеза устройств цепной структуры (преобразователей с частотным и фазовым выходом, линий задержек, ЦАП и т. д.) с сосредоточенными и распределенными параметрами. Разработаны методики определения выходных частот квазирезонанса преобразователей с RCи LCфазирующими четырехполюсниками любой сложности (Свидетельство об официальной регистрации программы для ЭВМ № 200 361 1147/ 16.05.2003. Роспатент. Москва. 2003).

4. Исследовано влияния параметров нагрузки на выходные характеристики преобразователей с частотным выходом, показавшее увеличение отклонения частоты с увеличением числа плеч структуры устройства и получены соотношения количественной оценки этой погрешности.

5. Исследованы методические погрешности моделирования устройств с распределенными параметрами и разработана методика устранения ее для функциональных устройств с LCи /?С-структурами, что особенно важно при интегральном исполнении последних.

6. Разработана методика проектирования устройств с нормированной погрешностью выходных характеристик с установкой допуска на разброс параметров элементов плеч функциональных устройств с ЦС.

7. Получены аналитические соотношения, позволяющие диагностировать и прогнозировать повреждения устройств с однородной и распределенной структурами путем измерения входного сопротивления на двух частотах.

8. Разработаны алгоритмы системы управления Автоматизированным измерительно-диагностическим комплексом для иммуноскрининга и методика моделирования линий связи и преобразователей с распределенными параметрами, внедренные в учреждениях Минздрава Республики Башкортостан.