Крюков В.В. Информационно-измерительные системы

Подождите немного. Документ загружается.

СЕРВЕР МЕТОДИЧЕСКОГО ОБЕСПЕЧЕНИЯ ВГУЭСHTTP://ABC.VVSU.RU

Крюков В.В.

ИНФОРМАЦИОННО-ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЕ СИСТЕМЫ

(учебное пособие)

Крюков В.В. Информационно-измерительные системы. Учебное пособие. –

Владивосток: ВГУЭС, 2000. - 102 c.

Учебное пособие рекомендуется студентам специальности 2201

“Вычислительные машины, комплексы, системы и сети” в качестве

основного методического материала по курсу “Информационно-

измерительные системы”. В пособии приведена классификация

информационных систем, рассматриваются характеристики обобщенной

информационно-измерительной системы, принципы обмена информацией,

требования к системам реального времени. Содержатся рекомендации по

проектированию и применению информационных систем с использованием

цифровых процессоров сигналов. Приведены характеристики

двухпроцессорной информационно-измерительной системы, разработанной

на кафедре компьютерных технологий и систем.Рекомендовано

Дальневосточным региональным учебно-методическим центром (УМО) в

качестве учебного пособия для студентов вузов региона по специальности

“Вычислительные машины, комплексы, системы и сети”.

Содержание:

1. МЕТОДЫ ОБРАБОТКИ информации И ЗАДАЧИ КУРСА .............................................. 5

1.1. Предмет курса .............................................................................................................. 7

1.2. Обобщенная структура ИИС ........................................................................................ 8

1.3. Классификация информационных систем ................................................................. 10

2. Общая характеристика и классификация экспериментов ............................................... 20

2.1. Общие сведения о средствах проведения эксперимента .......................................... 22

2.2. Два подхода к построению ИС................................................................................... 24

2.3. Задачи измерительных систем ................................................................................... 26

2.4. Основные принципы преобразования сигналов ........................................................ 27

2.4.1. Принципы работы АЦП ....................................................................................... 28

2.4.2. Методы аналого-цифрового преобразования ...................................................... 29

2.5. Принципы функционирования интерфейса ............................................................... 30

2.6. Программное обеспечение интерфейса ..................................................................... 31

2.7. Аппаратные средства интерфейса .............................................................................. 32

3. СИСТЕМЫ СБОРА ДАННЫХ ......................................................................................... 34

3.1. Одноканальные системы ............................................................................................ 34

3.1.1. Устройство выборки – хранения ......................................................................... 34

3.2. Многоканальные системы .......................................................................................... 36

3.3. Выбор АЦП и системы сбора данных ........................................................................ 39

3.3.1. Серийно выпускаемые АЦП и системы сбора данных ....................................... 39

3.3.2. Выбор AЦП .......................................................................................................... 39

3.3.3. Рекомендации по использованию АЦП............................................................... 42

4. Принципы обмена информацией ...................................................................................... 44

4.1. Последовательный интерфейс.................................................................................... 44

4.1.1. Квитирование установления связи ...................................................................... 45

4.1.2. Асинхронный метод передачи ............................................................................. 45

4.2. Декодирование последовательных потоков двоичных разрядов и обнаружение ошибок

........................................................................................................................................... 46

4.2.1. Ошибки четности ................................................................................................. 47

4.2.2. Ошибки из-за перезаписи .................................................................................... 47

4.2.3. Ошибки кадрирования передаваемых данных .................................................... 48

4.3. Учет особенностей линии передачи ........................................................................... 49

4.4. Линейные формирователи и приемники .................................................................... 50

4.4.1. Однопроводный интерфейс ................................................................................. 50

4.4.2. Симметричный дифференциальный интерфейс.................................................. 51

4.4.3. Несимметричный дифференциальный интерфейс .............................................. 51

4.5. Сбор данных при использовании последовательного интерфейса ........................... 52

4.5.1. Волоконно-оптические линии передачи.............................................................. 53

4.6. Интерфейсные модули ввода-вывода данных ........................................................... 54

4.6.1. Типовая структура модуля сбора данных............................................................ 55

4.6.2. Прохождение сигналов при вводе данных .......................................................... 56

4.7. Ввод-вывод данных в персональный компьютер ...................................................... 58

4.7.1. Настройка параметров ПСД и драйверы ввода данных в компьютер ............... 58

5. Информационные Системы реального времени .............................................................. 61

5.1. Многопроцессорные архитектуры ............................................................................. 65

5.2. Многопроцессорные архитектуры и промышленные системы ................................ 66

5.2.1. Индустриальные применения .............................................................................. 66

5.2.2. Решение STD МРХ .............................................................................................. 67

5.2.3. Решение STD32-STAR ......................................................................................... 69

5.3. Операционные системы реального времени для ИИС .............................................. 70

5.3.1. Операционная система Spox ................................................................................ 70

5.3.3. Операционная система Multiprox ........................................................................ 72

5.3.3. Операционная система VCOS.............................................................................. 72

5.3.4. Операционная система DEASY ........................................................................... 73

6. ИИС с процессорами Цифровой обработки сигналов ..................................................... 74

6.1. Классификация ЦОС-приборов.................................................................................. 74

6.1.1. ЦОС-приборы общего назначения ...................................................................... 74

6.2. Перспективы использования приборов ЦОС ............................................................. 77

6.3. Архитектура ЦОС....................................................................................................... 78

6.4. Модуль DSP30 ............................................................................................................ 80

6.4.1. Архитектура DSP30 ............................................................................................. 81

6.4.2. Программное обеспечение ЦОС .......................................................................... 82

6.5. Двухпроцессорный информационно-вычислительный комплекс для обработки

измерительных данных ..................................................................................................... 83

6.5.1. Характеристики вычислительного комплекса .................................................... 83

6.5.2. Оцифровка и ввод данных в компьютер ............................................................. 85

6.5.3. Спектральная обработка данных на двухпроцессорной вычислительной

платформе ...................................................................................................................... 86

6.5.4. Фильтрация сигнала на двухпроцессорной платформе ...................................... 89

ЛИТЕРАТУРА ...................................................................................................................... 93

1. МЕТОДЫ ОБРАБОТКИ ИНФОРМАЦИИ И ЗАДАЧИ КУРСА

Вся продуктивная деятельность человека так или иначе связана с

обработкой информации. Процесс развития общества неотделим от

становления все более полных и эффективных методов обработки

информации. Каждая область науки и в большой степени различные отрасли

деятельности (образование, экономика, экология, добывающие отрасли,

транспорт, связь, медицинская диагностика, управление и т.д.) представляют

собой совокупность идей и методов, предназначенных для целенаправленной

и эффективной обработки той информации, за которую ответственна данная

область.

Конкретизация понятий “целенаправленной и эффективной обработки”

произошла под влиянием развития методов и технических устройств,

предназначенных для обработки информации и способных выполнять ее

быстро. Идеи, принципы и алгоритмы, которые в настоящее время

составляют методологию обработки информации, уже сегодня позволили

сделать существенный прорыв в технологии обработки информации

(наглядный пример – Internet).

Методы обработки и принципы их реализации для каждой области имеют

свои специфические особенности, которые прежде всего обусловливаются

конкретным видом носителя информации, методами кодирования и

способами представления результатов обработки. Вследствие этого

устройства обработки информации для различных областей часто

оказываются внешне непохожими друг на друга. Но за этой внешней

непохожестью скрывается одинаковая методология и принципы построения

систем обработки, что является для нас определяющим и составляет предмет

изучения в данном курсе.

Основу методов обработки информации составляют вычислительная

математика, теория информации и математическая статистика. Современные

методы математической статистики и теории информации используют

сложный математический аппарат, но базируются тем не менее на простых

исходных положениях, вытекающих из практических задач. Одна из задач

курса состоит в том, чтобы за сложностью математических методов не

потерять тот смысл, который заложен в современных принципах обработки

информации, и выделить те решения, которые используются на практике

сегодня.

Под информацией мы будем понимать некоторую совокупность

сведений, представляющих интерес для человека или полезных для

функционирования интеллектуальных систем.

Практически всегда при получении информации (человеком или

системой) возникает потребность ее обработки. Приведем три типичные

ситуации:

* Как правило, особенно в технических системах, перед анализом

полезной информации необходимо зафиксировать факт ее поступления,

поскольку какой-то поток данных на приемное устройство всегда поступает.

В этом случае задача обработки состоит в определении факта поступления

полезной информации (задача обнаружения).

* Часто поступающие данные помимо полезной составляющей

(информационная компонента) содержат некоторую дополнительную

искажающую составляющую (в технике говорят помеху), которая мешает

правильно выделить полезную часть. Задача часто осложняется тем, что

полные сведения о помехе отсутствуют. В данном случае задача обработки

состоит в наиболее полном исключении помехи (задача выделения).

* Другая ситуация – это анализ полученной информации с целью

принятия какого-либо решения (то есть факт поступления информации

зафиксирован, полезный сигнал выделен), причем в полученной информации

нет всего необходимого, чтобы решение можно было принять с полной

уверенностью. В данном случае задача обработки состоит в осуществлении

такого анализа информации, чтобы решение было наиболее правильным

(задача принятия решения).

Условие воздействия помех и отсутствия полной информации является

чрезвычайно важным в проблеме понимания необходимости применения

обработки, а следовательно, и информационно-измерительных систем

(ИИС), одной из основных задач которых является обработка информации.

Термин "обработка" целесообразно рассматривать в широком смысле,

понимая под ним регистрацию, запоминание, представление данных. Но

правильнее эти понятия разделить и дать следующее определение.

Информационно-измерительной системой (ИИС) называется

совокупность функционально связанных устройств и программного

обеспечения, которая реализует необходимое информационное

обслуживание контролируемого объекта, включая автоматизированный

сбор, представление, передачу, обработку и хранение измерительной

информации.

При этом термины “сбор” и “измерительный” следует трактовать широко

с включением процедур сканирования, оцифровки (сигналов и изображений),

векторизации и т.д. Если передача данных осуществляется по кабельной

линии или радиолинии, то система называется телеметрической или

радиотелеметрической.

Информационно-измерительные системы применяют как автономно

(сбор, обработка данных о движущихся объектах, внешней среде,

биологических объектах), так и в составе различных автоматизированных

комплексов, создаваемых в результате интеграции вычислительной и

измерительной техники, устройств ввода-вывода и средств связи. Независимо

от назначения и конкретного применения общее требование к ИИС состоит в

том, чтобы исходная измерительная (чаще всего аналоговая) информация или

сообщения, вводимые (принимаемые) в систему, могли быть восстановлены

(или представлены) без искажений. Для большинства современных ИИС

обязательным также является требование передачи и обработки информации

в реальном масштабе времени.

Одной из основных проблем, которая возникает при разработке и

использовании ИИС, являются выбор методов оцифровки и кодирования

информации, помехоустойчивых методов передачи-приема информации

(если информация передается на большие расстояния). Но нас больше будут

интересовать другие проблемы, которые возникают на этапе обработки

поступившей информации. Это предварительная обработка данных (сжатие,

распаковка, распознавание), качественные характеристики систем,

применение алгоритмов обработки и программного обеспечения в

конкретных информационно-измерительных комплексах для конечного

пользователя.

1.1. Предмет курса

Предметом курса является изучение ИИС в расширенном понимании, то

есть в том понимании термина “измерение”, о котором было сказано выше

(это сбор данных, ввод аналоговых сигналов и изображений, оцифровка

информации на твердом носителе, в том числе картографического

материала). В число изучаемых попадают мультимедийные системы,

информационные системы, использующие ресурсы глобальных сетей;

системы реального времени, использующие ресурсы процессоров цифровой

обработки сигналов; геоинформационные системы, а также базовое

программное обеспечение, используемое в этих системах. Систем и

приложений, которые попадают под определение ИИС, сегодня огромное

количество, но задача курса не в том, чтобы разложить их по полочкам, а в

том, чтобы понять, что их объединяет, определить базовую структуру и

типовые алгоритмы обработки данных; выделить ключевые технологии.

1.2. Обобщенная структура ИИС

В соответствии с предметом дисциплины из всего состава

функциональных устройств ИИС, образующих информационный тракт

системы, рассмотрим только те, которые осуществляют функции сбора,

предварительной обработки, представления, передачи и обработки

информации. Блок-схема ИИС представлена на рис. 1.1. На вход системы

поступает в общем случае аналоговый сигнал S(t), сформированный

информационным устройством (или датчиком), являющимся источником

данных. Сигнал S(t) рассматривается как реализация случайного процесса,

основные модели которых изучались в курсе “Цифровая обработка

сигналов”. Цепь преобразования данных одного устройства (или датчика) в

многоканальной системе образует измерительный канал.

В блоке подготовки сигнал подвергается предварительной аналоговой

обработке – согласование, усиление (приведение амплитуды к

динамическому диапазону устройства выборки и хранения – УВХ), полосовая

фильтрация (ограничение полосы частот сигналов для корректной

оцифровки).

Поскольку подсистема обработки в ИИС является цифровой системой, то

каждый сигнал подвергается процедуре аналого-цифрового преобразования в

модуле АЦП. Последовательность отсчетов от различных измерительных

каналов объединяется в общий поток для последующего ввода в компьютер

или передачи по каналу связи. В ряде случаев могут применяться устройства

сжатия данных (либо сжатие осуществляется после ввода данных в

компьютер – программные методы сжатия). Состав и последовательность

расположения функциональных устройств в различных ИИС может

отличаться от приведенной в блок-схеме, но характерным является наличие

данных устройств как типовых в системах различного назначения и

технического воплощения.

Подсистема передачи включает кодер и декодер канала связи,

передающее и приемное устройства и собственно канал связи (среда с

антенными устройствами). Кодер и декодер осуществляют помехоустойчивое

кодирование и декодирование сигналов с целью дополнительной защиты

передаваемых сообщений от помех в канале связи и могут отсутствовать при

наличии качественного канала.

Восстановление исходного аналогового сообщения по цифровым

отсчетам с допустимой погрешностью производится на приемной стороне. В

современных системах восстановление непрерывного сообщения, как

правило, не выполняется, поскольку регистрация, хранение и обработка

информации выполняются в цифровом виде, но принципиальная возможность

восстановления предусматривается.

Источник информации Подготовка данных

Восстановление

аналогового сигнала

Компьютер

Источник

данных

Объект

исследования

Датчики

Согласование

Усиление

Фильтрация

УВХ АЦП

Сжатие

данных

Группировка

потоков

Кодирование

П ередающее

устройство

Канал

связи

Приемное

устройство

Декодирование

Интерфейс

с компьютером

DRAM

SVGA

Monitor

D SP

CPU

Интерфейс

вывода

ЦАПФильтр

Рис. 1.1. Обобщенная блок-схема информационно-измерительного комплекса

Одна из задач подсистемы цифровой обработки, которая выполняется с

использованием ресурсов компьютера и специализированных процессоров

цифровой обработки – сортировка информации и отбраковка аномальных

результатов наблюдений. Отбраковка является частным случаем более общей

задачи – фильтрации сигналов от помех или использования методов

распознавания образов. Другими задачами подсистемы обработки являются:

· предварительная обработка данных (сглаживание, удаление тренда);

· статистическая обработка сигналов (применяются различные алгоритмы

в зависимости от назначения ИИС);

· спектральная обработка (разные методы в зависимости от назначения

ИИС);

· формирование моделей процессов и явлений;

· представление результатов предварительной обработки или анализа;

· хранение данных.

Перечисленные задачи решаются в ИИС следующего назначения:

* измерительные системы в “чистом виде” – мониторинг, диагностика,

контроль, научные исследования, системы реального времени;

* мультимедийные комплексы – информационные услуги, презентации,

обучение, игры;

* коммерческие системы ввода-вывода видео – справочные системы,

реклама, просмотр и хранение видеофрагментов;

* геоинформационные системы.

1.3. Классификация информационных систем

Информационная система (ИС) — совокупность технических средств и

программного обеспечения, предназначенная для информационного

обслуживания пользователей и технических объектов. В состав технических

средств входит оборудование для ввода, хранения, преобразования и вывода

данных, в том числе вычислительные машины (ВМ) или компьютеры,

устройства сопряжения ВМ с объектами, аппаратура передачи данных

(коммуникационное оборудование) и линии связи. Программное обеспечение

(программные средства) – совокупность программ, реализующих

возложенные на систему функции (различают системное и прикладное).

Функции ИС состоят в выполнении требуемой обработки данных: ввода,

хранения, преобразования и представления. Примерами ИС являются

вычислительные системы для решения научных, инженерно-технических,

планово-экономических и учетно-статистических задач; автоматизированные

системы, применяемые в управлении предприятиями и отраслями народного

хозяйства; системы автоматизированного и автоматического управления

технологическим оборудованием и техническими объектами; системы

реального времени (транспорт, мониторинг); информационно-измерительные

системы и др.

Основа ИС – это технические средства, так как их производительностью

и надежностью в наибольшей степени определяется эффективность ИС.

Одномашинные однопроцессорные ИС. Исторически первыми и до сих

пор широко распространенными являются одномашинные ИС, построенные

на базе единственной ВМ с традиционной однопроцессорной структурой. К

настоящему времени накоплен значительный опыт проектирования и

эксплуатации таких ИС, и поэтому создание их, включая разработку

программного обеспечения, не вызывает принципиальных трудностей.

Однако производительность оказывается удовлетворительной не для всех

приложений. Повышение производительности и надежности ВМ

обеспечивается в основном за счет совершенствования элементно-

технологической базы. При любом уровне технологии нельзя обеспечить

абсолютную надежность элементной базы, и поэтому нельзя для

одномашинных ИС исключить возможность потери работоспособности.

Таким образом, одномашинные ИС не в полной мере обеспечивают

надежную автоматизацию обработки данных.

Вычислительные комплексы. Начиная с 60-х годов для повышения

надежности и производительности ИС несколько ВМ связывались между собой,

образуя многомашинный вычислительный комплекс.