Петросьянц В.В. Измерительно-вычислительные комплексы (канал общего пользования)

Подождите немного. Документ загружается.

Интегральная оценка качества функционирования ИВК производится

суммированием частных показателей качества с учетом нормированных коэф-

фициентов значимости q:

EqEqEqE

ββγγΣ

, (12)

где

);QQ/(QQQ/Qq

βγ

∑

I принимает значения

;

- не-

нормированные коэффициенты значимости

1.Q

≥

При оценке качества решения задачи необходимо учитывать влияние экс-

плуатационных факторов, которые, как правило, снижают показатели прибор-

ной работоспособности ИВК.

Таким образом, все рассмотренные показатели имеют конкретное анали-

тическое выражение, что позволяет производить сравнительную оценку ИВК.

1.4. Принципы проектирования ИВК

Существует две принципиально различные методики проектирования:

итеративная (снизу вверх), иерархическая (сверху вниз).

При итеративном подходе проектирование начинается с выбора так назы-

ваемого нулевого варианта структуры системы. Этот вариант формируется на

базе прототипных образцов или исходя из интуитивных представлений проек-

тировщика.

Выбранная архитектура является основой для разработки функ-

циональной модели, которая может быть аналитической или имитационной.

Аналитические модели допускают исследование поведение объекта аналитиче-

скими методами без привлечения средств вычислительной техники (например,

использование теории интегрально-дифференциальных уравнений, теории сис-

тем массового обслуживания, матричного исчисления и т.д.). Все остальные

модели могут быть отнесены к классу имитационных.

Создание моделей существенно упрощается при наличии банка моделей

прототипной системы и компонентов. В этом случае проектировщик исследует

поведение системы в новых условиях эксплуатации или с отличными режима-

ми обслуживания. Выбранная модель должна обеспечить возможность пара-

метрической оптимизации по заданным критериям. На этом этапе используют-

ся автоматизированные методы проектирования или эвристические методы по-

следовательного приближения. Проектирование рассматривается как процесс

проб и ошибок, который через последовательные приближения приводит к сис-

теме, удовлетворяющей заданным критериям точности и производительности.

Анализ производительности и точности желательно сочетать с анализом

конструктивной и информационной надежности, для чего модели системы

должны быть соответствующим образом усовершенствованы.

В случае сложности или невозможности создания комплексных инфор-

мационно-надежностных моделей можно проводить одновременные ис-

следования и усовершенствования на концептуально различных моделях, но

при этом неизбежны трудности многопараметрической оптимизации.

Иерархический подход к проектированию предусматривает синтез систе-

мы из базового набора компонентов по заданным критериям эффективности.

При этом подразумевается, что полученный вариант системы будет удовлетво-

рять всем установленным спецификациям и не нуждается в дополнительных

исследованиях. К настоящему времени подобные глобальные методы еще не

разработаны, хотя существуют частные методы, относящиеся к некоторым эта-

пам проектирования систем. В связи с этим находят применение иерархические

процедуры синтеза систем по уровню абстракции моделей, отличающихся

уровнем детализации.

Возможно применение смешанных методик, учитывающих как итератив-

ный, так и иерархический подход.

В рамках рассмотренных методик и при блочно-модульном принципе по-

строения возможны два подхода к созданию ИВК: индивидуальная разработка

и проектная компоновка.

В первом случае разрабатывается полная и достаточно подробная струк-

тура ИВК, обеспечивающая стыковку как с объектами исследования, так и с

потребителями информации, ожидаемые характеристики которой соответству-

ют требованиям технического задания. Затем структурная схема разбивается на

функционально законченные части, которые в дальнейшем разрабатываются

как самостоятельные модули, отвечающие индивидуальным требованиям. Та-

ким образом, характеристики системы должны уточняться после разработки

всех модулей. Это затрудняет выбор оптимального варианта построения ИВК.

Метод проектной компоновки заключается в проектировании ИВК с мак-

симальным использованием выпускаемых агрегатных средств и применением

расчетных методов определения характеристик системы по характеристикам

отдельных блоков. Этот подход позволяет выбрать оптимальный вариант по-

строения ИВК, не исключает индивидуального проектирования модулей с ха-

рактеристиками, отличными от существующих, максимально сокращает сроки

проектирования.

Для практической реализации метода проектной компоновки необходимо

учитывать требования ГОСТ 22.317-77 и ГОСТ 8.009-84.

Исходными данными для функционального синтеза являются функцио-

нальные спецификации ТЗ, в частности круг решаемых задач, режимы испыта-

ний и протоколы обмена информацией. Цель функционального синтеза - разра-

ботка архитектуры ИВК на уровне логической структуры без конкретизации

типов системного оборудования. На этой стадии проектирования очень удоб-

ным аппаратом может стать морфологический анализ круга решаемых задач.

Назначение морфологического анализа - установление соответствия между

словесным описанием и структурой алгоритмов функционирования системы.

На стадии структурного проектирования функциональные символы морфоло-

гических таблиц преобразуются в конкретные типы системного оборудования.

Этот процесс можно назвать генерацией системных вариантов.

Далее необходимо перейти к параметрическому синтезу системы. Авто-

матизированные методы параметрической оптимизации основаны на числен-

ных методах поиска экстремума функции одной или нескольких переменных.

При этом необходимо решить три задачи: разработать математическую (опти-

мизационную) модель системы, выбрать критерий и метод оптимизации.

Под математической моделью системы понимается описание взаимосвязи

(числовой или логической) варьируемых параметров и выходных показателей

при определенной совокупности входных воздействий. Задача синтеза системы

- выбор ее параметров, удовлетворяющих поставленным требованиям. Для

формализации процесса выбора эти требования необходимо задать в виде неко-

торой системы чисел W

и затем получить при расчете системы соответствую-

щие им показатели в виде совокупности выходных характеристик W. Проце-

дура синтеза заключается в нахождении параметров, удовлетворяющих услови-

ям

ojj

≤

, где

.WWW,W

oojj

∈

При корректной постановке задачи один из

компонентов множества W будет целевой функцией S, минимизируемой или

максимизируемой в процессе синтеза. Под целевой функцией понимается ос-

новной показатель эффективности.

Все параметры системы можно рассматривать как входные сигналы опера-

тора L синтезируемой системы, под которым понимается совокупность математи-

ческих операций, описывающих численные или логические соотношения между

входными и выходными сигналами. Система выходов представляет собой сово-

купность (вектор) критериальных функций, включая (при необходимости) целе-

вую функцию S. Совокупность входных сигналов отображает технические пара-

метры X рассматриваемой системы и возмущения Y. действующие на систему.

В системе могут присутствовать и сигналы Z, имеющие в отличие от

внешних X и Y источники внутри синтезируемой системы, которые надо пере-

считывать во входные независимые сигналы. Процесс параметрического синте-

за можно изобразить в виде замкнутой системы (рис. 3), где под Х

понимается

совокупность параметров, отвечающих заданным условиям оптимизации.

Следующая задача состоит в выборе критерия оптимизации, который в той

или иной форме обобщает выходные ( критериальные) показатели. Подобный

обобщающий функционал называют функцией поиска. Обобщающий функционал

Рис. 3. Схема системного параметрического анализа

позволяет для каждой точки ( вектора) пространства варьируемых параметров

получать единую оценку и тем самым сравнивать решения и выбирать лучшее

при использовании методов перебора и вычислять значение градиента и форми-

ровать направление поиска при использовании градиентных методов.

Более общими являются функции поиска оптимального значения S

(x)

целевой функции S(x) с ограничением остальных критериальных компонентов:

.WприWx)min(max)S((x)S

ojjo

≤

(13)

В качестве целевой функции для ИВК может быть выбрана вероятность

точного обслуживания, под которой понимается вероятность обработки всего

потока первичной информации датчиков с заданной точностью и достоверно-

стью. Методы оптимизации делятся на однопараметрические ( одна функция

поиска) и многопараметрические. Примеры использования некоторых методов

в задачах проектирования ИВК рассмотрены в [2, 3].

Таким образом, параметрический синтез сводится к направленному пере-

бору вариантов структур проектируемой системы. При отсутствии варианта,

удовлетворяющего всем поставленным требованиям, возникает необходимость

либо в проектировании нестандартного оборудования, либо в изменении набора

структур, или функциональной схемы, или требований ТЗ.

Процедура, системотехнического проектирования в обобщенной форме пред-

ставлена на рисунке 4. Из блок-схемы следует, что процесс проектирования

ИВК - трудная и многоплановая задача. Единственным способом сократить

сроки проектирования является создание систем автоматизированного проек-

тирования ИВК.

Рис. 4. Блок-схема процедуры системного проектирования ИВК

Безусловно, САПР потребует значительных затрат на разработку специ-

фического информационного и программного обеспечения, основу которого

составляют модели различного назначения. Проектировщик должен распола-

гать моделями, отображающими метрологические особенности, конструктив-

ную и информационную надежность системы, характеризующими производи-

тельность в различных ее аспектах, и наконец моделями параметрического син-

теза. Последний тип моделей не имеет самостоятельного значения. Из преды-

дущего материала следует, что введение в любую модель блока анализа кри-

териальных результатов и решающего правила подбора параметров позволяет

оптимизировать ее структуру.

Существует два основных метода моделирования: аналитический и имитаци-

онный. В первом случае поведение объекта отражается в виде зависимостей, до-

пускающих исследования методами математического анализа. В случае имитаци-

онного моделирования поведение объекта многократно воспроизводится последо-

вательностью арифметических и логических операций на ЭВМ, что не исключает

использование математических зависимостей, но все соотношения представляются

в числовой форме, Результат имитационного моделирования выбор чисел (точечная

оценка). Многократное воспроизведение поведения объекта при различных воздей-

ствиях позволяет всесторонне оценить качество его функционирования.

Метод имитационного моделирования со случайными воздействиями, иначе

метод статистического моделирования, или метод Монте-Карло, дает возмож-

ность получать интервальные оценки выходных характеристик объекта с за-

данной точностью и достоверностью.

Основные достоинства аналитических моделей - простота их разработки

и анализа, а также быстрое получение и наглядность результатов [2, 4]. Недос-

таток - существенное расхождение между реальными характеристиками объек-

тов и характеристиками, полученными из модели. Имитационные модели обес-

печивают адекватность характеристик, но требуют больших затрат на разработ-

ку и использование.

2. ПРИБОРНЫЙ ИНТЕРФЕЙС IEC 625-1

Основные положения, признаки классификации и общие требования к

ИВК в целом и их компонентам, а также требования к проведению испытаний

установлены ГОСТ 26.203-81 [5]. В соответствии с ним ИВК представляет со-

бой автоматизированное средство измерений электрических величин, на основе

которого возможно создание ИИС путем присоединения к входу измеритель-

ных каналов ИВК датчиков измеряемых величин с унифицированным электри-

ческим выходным сигналом и генерации на основе программных компонентов

ИВК программ обработки информации и управления экспериментом, ориенти-

рованных на решение конкретных задач.

Выбор комплекса нормированных метрологических характеристик ИВК

производится в соответствии с ГОСТ 8.009-72.

В АСЭТ используется интерфейс МЭК (ГОСТ 26.003-80). Этот интерфейс

называют также IEEE-48-8 (Institute of Electrical and Electronics), или GPIB

(General Purpose Interface Bus), или HP-IB (Hewlett Parkart-Interface Bus). Ин-

терфейс разработан для программируемых и непрограммируемых электронных

измерительных приборов. Он представляет собой 16-линейную двунаправлен-

ную пассивную систему связи, к которой можно подключить параллельно до 15

приборов, в том числе контроллер. Функционально линии, образующие магист-

раль, группируются в три шины: данных, согласования передачи и общего

управления (рис. 5).

Конструктивно интерфейс состоит из кабеля, разъемов и модулей на пе-

чатных платах (интерфейсных карт). Кабель осуществляет параллельное соеди-

нение всех устройств таким образом, что данные от одного устройства могут

передаваться либо одному, либо нескольким устройствам, входящим в систему.

Интерфейсные карты формируют сигналы обмена информацией.

Шина данных Д0...Д7 состоит из восьми линий, по которым осу-

ществляется обмен (передача - прием) информацией бит - параллельным, байт -

последовательным способом. По этим шинам передаются данные: результаты

измерений, адреса, программы, управляющие байты, байты состояний.

Рис. 5. Измерительно-вычислительный комплекс на базе КОП

Обмен данными может происходить между передающими изме-

рительными модулями ( источниками) и принимающими ( приемниками) или

между контроллером и подчиненными ИМ. В интерфейсе различают следую-

щие модули ( см. рис.5): контроллер ( К), передающий и принимающий

(ИМПП), только передающий ( ИМПЕ), только принимающий ( ИМПР). Каж-

дый модуль должен выполнять хотя бы одну функцию. Одновременно может

работать несколько принимающих и только один передающий модуль.

Из всех ИМ нужно выделить контроллер, назначение которого -

организация взаимодействия модулей системы. Команды контроллера указы-

вают адрес модуля - передающего или принимающего, а также характер и по-

следовательность операций. Контроллер строится на базе микропроцессора и

выполняет следующие функции: задание программы, управление процедурой и

интерпретация результатов измерений.

Шина согласования передачи (синхронизации) объединяет три линии, по

которым передаются сигналы: СД (DAV) - " сопровождение Данных"; ГП

(NRED) - " готов к приему"; ДП (NDAC) - " данные приняты". Перечисленные

сигналы служат для синхронизации обмена между модулями (рис. 6).

Управляющими являются инверсные значения сигналов, то есть низкие

уровни. Сигнал СД вырабатывается передающим устройством ИМПЕ (ИМПП,

К), когда данные готовы. Если принимающий модуль ИМПР (ИМПП, К) не за-

нят (высокий уровень сигналов ГП и ДП), то передающий модуль ИМПЕ вы-

ставляет данные (байт информации) на шины Д0-Д7. Устройство ИМПР отве-

чает сигналом ГП, устройство ИМПЕ снимает сигнал СД, а ИМПР принимает с

шин Д0...Д7 данные, после чего снимает сигнал ГП. В конце цикла обмена

ИМПР вырабатывает сигнал ДП, который указывает, что данные приняты а

можно продолжить работу. Если необходимо передать следующий байт, цикл

повторяется.

Рис. 6. Временная диаграмма обмена данными в ИВК с КОП

Шина общего назначения состоит из пяти линий, по которым передаются

сигналы между контроллером и другим ИМ системы: сигнал управления УП

вырабатывается контроллером, по этому сигналу все устройства переходят в

режим ожидания, и контроллер управляет работой системы; по шинам данных

передаются адреса (адрес передающего устройства, адрес принимающего уст-

ройства) или команды ( универсальная, вторичная, приема, передачи); когда

сигнал УП снимается, начинают обмен остальные ИМ системы; сигнал очистки

интерфейса ОИ вырабатывается контроллером и переводит все ИМ системы в

начальное состояние; сигнал запроса на обслуживание 30 вырабатывается мо-

дулем системы, когда требуется прервать текущий обмен по магистрали и пе-

рейти на приоритетное обслуживание данного ИМ контроллером; сигнал дис-

танционного управления ДУ вырабатывается контроллером и переключает ИМ

с местного управления (с лицевой панели) на дистанционное; сигнал КП (конец