Размещено на http://www.allbest.ru/

Процессорные информационно-измерительные системы с время-импульсным преобразованием

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Современное развитие вычислительной техники, которое в первую очередь связано с появлением быстродействующих микропроцессоров (МП), позволяет задуматься о возможности создания информационно-измерительных систем (ИИС) на базе МП для обработки информации в научных исследованиях, для контроля в производственных технологических процессах и технологических испытаниях. При этом ИИС является аппаратно-программным комплексом, в котором задачи сбора, анализа и отображения информации распределены между аппаратными и программными модулями.

Системы, проектируемые на базе персонального компьютеров, включают в себя три блока: сбор, анализ и отображения информации. Скорость работы каждого из перечисленных блоков влияет на частоту дискретизации сигнала, а значит и на точность измерительного средства. В настоящее время оценить быстродействие цифровой ИИС и потенциально реализуемую точность ИИС можно только в процессе разработки системы, что существенно увеличивает временные и экономические затраты на разработку измерительного комплекса в целом.

При рассмотрении ИИС как аппаратно-программного комплекса необходимо решить вопрос оценки быстродействия каждого из перечисленных модулей. Блок отображения и анализа информации может быть реализован программно на МП. Тогда желательно оценить временные затраты на выполнение данных задач на МП. Несмотря на то, что вопрос оценки производительности вычислительных систем (ВС) неоднократно поднимался в литературе такими авторами как Д. Феррари, Г.Т. Артамонов, О.М. Брехов, Б.М. Каган, С.М. Майоров, Г.И. Новиков, Т.И. Алиев, Э.И. Махарев, Б.Д. Тимченко и др. тем не менее на сегодняшний день не существует ни единого определения самого термина производительность ВС, ни метода оценки производительности, ни средства. Существует два подхода к оценке производительности ВС: аналитический и эмпирический. Применение аналитического подхода не позволяет получить точных оценок производительности ВС, т.к. при построении математической модели вычислительной системы делается много допущений, что приводит к получению грубых оценок. На практике широкое применение получил эмпирический метод получения оценок производительности, который основан на создании модели рабочей нагрузки ВС. Существует множество прикладных программ, предназначенных для оценивания производительности ВС на тестовых рабочих нагрузках. Данные тестовые нагрузки не соответствуют классу задач, выполняемых при обработке измерительной информации. Поэтому они не могут быть использованы для оценки производительности ИИС, реализующих программную обработку данных.

Быстродействие ИИС существенно зависит от алгоритма и скорости передачи данных межмодульного интерфейса, в качестве которого сегодня при реализации ИИС на базе персональных компьютеров (ПК) используется высокоскоростная процессорная шина PCI, существенно ограничивающая скорость обработки данных в ИИС. Вопрос влияния задержек процессорной шины на точность измерений слабо исследован.

Модули анализа данных предназначены для реализации алгоритмов цифровой обработки сигналов (ЦОС) (например, БПФ, свертка). Каждый цифровой фильтр характеризуется не только амплитудно-частотными и фазочастотными характеристиками, определяющими качество данного фильтра, но и алгоритмом реализации, который в свою очередь определяет временные затраты на выполнение модуля анализа. Вопрос взаимосвязи качества фильтрации и времени реализации цифровых фильтров является слабо изученным.

Таким образом, вопрос исследования взаимосвязи погрешности средства измерения и быстродействия аппаратно-программных модулей на сегодняшний день является открытым, а задача его решения актуальной.

Цель диссертационной работы - разработка алгоритма и средства оценки потенциально реализуемой точности информационно-измерительной системы при аппаратно-программной реализации сбора и обработки измерительной информации на этапе проектирования ИИС с время-импульсным преобразованием (ВИП).

Для этой цели в диссертационной работе необходимо решить следующие задачи:

1. Определить критерий оценки качества работы ИИС с ВИП.

2. Разработать метод и средство оценки быстродействия МП для решения задач ИИС с ВИП.

3. Проанализировать и формализовать вопрос влияния быстродействия процессорной шины PCI на скорость обмена данными между модулями ИИС.

4. Проанализировать влияние параметров цифровых фильтров на погрешность измерений в ИИС с ВИП.

5. Разработать алгоритм оценки потенциальной погрешности ИИС с ВИП с аппаратно-программной реализацией на базе МП при использовании цифровых фильтров.

6. Провести практическую апробацию разработанных теоретических подходов, методов и средств на реальных информационно-измерительных системах с ВИП.

Основные методы исследования. Результаты исследования, включенные в диссертацию, базируются на теории вероятности, теории случайных функций, теории оптимальных методов радиоприема при флуктуационных помехах, статистической радиотехники, имитационного моделирования, численных методах анализа.

Научная новизна. Научная новизна диссертационной работы в целом заключается в разработке метода анализа потенциально реализуемой погрешности средства измерений с аппаратно-программной реализацией. При этом получены следующие конкретные результаты:

1. Определен закон распределения ошибки первого момента срабатывания порогового обнаружителя в случае помех любой интенсивности.

2. Получено аналитическое выражение для расчета приведенной среднеквадратической погрешности ВИП.

3. Получены аналитические выражения для оценки потенциально реализуемой максимальной частоты дискретизации сигнала при аппаратно-программной реализации обработки измерительной информации.

4. Разработан подход к решению задач оценки производительности МП с точки зрения использования в составе ИИС с ВИП.

5. Разработаны методы оценки погрешности процессорных ИИС с ВИП, реализующих алгоритмы цифровой фильтрации.

Практическая ценность работы. Практическая ценность диссертационной работы заключается в том, что использование результатов исследования и разработок позволяет решить задачу синтеза оптимальной ИИС с аппаратно-программной обработкой информации, определить распределение вычислительных задач между аппаратными и программными модулями на этапе проектирования, определить возможные альтернативные пути достижения требуемой точности в рамках заданной структуры ИИС на этапе проектирования.

При этом основными практическими результатами можно считать следующие:

1. Для заданных типов ЦФ определены математические соотношения между параметрами фильтров и погрешностями измерений.

2. Даны рекомендации по оценке скорости обмена информации посредством шины PCI в зависимости от типа используемого алгоритма передачи данных.

3. Разработаны методы оценки погрешности ИИС с ВИП при использовании МП, реализующих алгоритмы цифровой фильтрации.

4. Разработано программное обеспечение для оценки производительности ПК, моделирующих рабочую нагрузку ИИС с ЦОС.

Достоверность полученных результатов подтверждена результатами экспериментальных исследований.

Реализация результатов диссертационной работы. Результаты диссертации внедрены и использованы на предприятии Филиал ОАО «ВНИИРА» «ВНИИРА-НАВИГАТОР».

Научные положения, выносимые на защиту:

1. Аналитическое выражение для оценки суммарной погрешности измерительных систем с время-импульсным преобразованием для широкого класса входных импульсных сигналов с флюктуационными помехами с заданными корреляционными функциями.

2. Алгоритм синтеза структуры процессорной ИИС ВИП при заданной погрешности измерений.

3. Алгоритм определения погрешности ИИС ВИП, реализованной на заданном наборе программных и аппаратных модулей.

4. Алгоритм распределения вычислительных задач между аппаратными и программными модулями при синтезе ИИС ВИП при заданной погрешности измерений.

Апробация работы. Основные результаты докладывались и обсуждались на ежегодных конференциях профессорско-преподавательского состава СПбГЭТУ, СПб, 2003-2006.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 7 научных статей, из них -3 статьи и 4 депонированных рукописи.

Структура и объем диссертационной работы: Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка используемой литературы, включающего 63 наименования, и одного приложения. Основная часть работы изложена на 136 страницах машинописного текста. Работа содержит 33 рисунка и 10 таблиц.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность проблемы, определены цель и задачи диссертационной работы, сформулированы основные положения, выносимые на защиту.

В первой главе представлена общая структура измерительной системы с аппаратно-программной обработкой информации (Рис.1). В соответствии с поставленной во введении задачей проектирования ИИС с аппаратно-программной реализацией ЦОС на базе МП в данной главе рассмотрены проблемы проектирования цифровых ИИС с ВИП. На основе проведенного обзора методов и средств оценки производительности ПК как основного модуля обработки и хранения результатов измерений, определен подход к оценке производительности ПК с целью определения возможности его дальнейшего использования в составе ИИС. Показано, что для получения точных оценок производительности ВС, необходимо использовать экспериментальные методы оценки, основанные на моделировании рабочей нагрузки, разрабатываемых ИИС. В зависимости от алгоритма ЦОС и круга решаемых задача проектируемой ИИС модели рабочих нагрузок будут различными. На основе обзора способов управления ввода-выводом поставлена задача оценки быстродействия шины PCI как межмодульного интерфейса передачи данных для ИИС на базе ПК. Для рассматриваемых ИИС с ВИП определены методы ЦОС (ЦФ). Поставлена задача определения критерия оценки эффективности ИИС реального времени с аппаратно-программной обработкой информации.

Рис.1

Во второй главе рассмотрен вопрос оценки погрешности измерений при ВИП, учитывающей аномальные и нормальные ошибки. Получены выражения для расчета суммарной погрешности при равном влиянии аномальных и нормальных ошибок. (Рис.2).

Рис.2

Известно, что погрешности от помех можно рассматривать как два непересекающихся множества с различными вероятностными характеристиками. Тогда суммарная помеховая средняя квадратическая погрешность может определяться как сумма частных средних квадратических погрешностей:

(1)

В литературе приводятся выражения для расчета суммарной погрешности ВИП, при этом не учитываются вероятностные характеристики нормальной погрешности, вызванной сдвигом фронта импульса, т.к. для упрощения считается, что частота среза используемого фильтра согласована с частотными характеристиками сигнала. При выборе неоптимальной частоты среза характер помехи изменяется. В связи с этим было получено аналитическое выражение для расчета нормальной приведенной погрешности ВИП:

,(2)

где отношение сигнал/шум по амплитуде, длительность импульса, коэффициент, характеризующий наклон фронта импульса на уровне порога , диапазон измерения интервала времени, значение производной коэффициента корреляции случайного процесса (помехи) в точке нуль.

На основании полученных зависимостей суммарная погрешность, приведенная к интервалу измерения временного интервала, определена выражением:

(3)

График зависимости приведен на Рис. 3 для параметров и относительном пороге срабатывания .

Рис.3

В работе получена аналитическая зависимость суммарной погрешности от порогового отношения сигнал/шум, увеличение которого далее не влияет на значение суммарной погрешности измерительного средства, т.к. аномальная погрешность в этом случае стремится к нулю.

(4)

В этом случае определить динамический диапазон измеряемого временного интервала можно по формуле:

.(5)

Полученные зависимости (4) и (5) могут быть использованы для оценки оптимальных параметров ИИС с ВИП, т.к. определяют минимум порогового отношения сигнал/шум, обеспечивающего заданный уровень точности. Дальнейшее увеличение отношения сигнал/шум при проектировании системы приводит к ужесточению требований к быстродействию измерительного комплекса в целом.

В третьей главе рассмотрены проблемы оценки производительности модулей ИИС с аппаратно-программной обработкой измерений. Получен подход к созданию измерительных мониторов для оценки быстродействия ВС в составе цифровой ИИС, рассмотрен вопрос оценки скорости передачи данных через межмодульный интерфейс при различных механизмах управления передачей данных. Получены аналитические оценки для расчета времени обработки информации.

Быстродействие ИИС сканирующего типа определяется быстродействием каждого модуля системы, а время обработки отсчета сигнала в общем виде определяется как сумма времён выполнения отдельных задач.

Функции ПК в измерительной установке весьма многообразны. Одной из самых важных функций является накопление поступающей информации. Во многих случаях объем измерительной информации настолько велик, что ее накопление возможно на жестких дисках. С другой стороны ПК может быть использован для реализации цифровой обработки сигналов и отображения информации на дисплее. Тогда возникает задача оценки быстродействия ПК для решения задач обработки и анализа измерительной информации. Так как функции сохранения и отображения информации должны реализовываться программно, то время выполнения данных задач зависит не только от типа решаемых задач, но и в большей мере от способа создания программы, языка программирования и системы команд процессора. В связи с тем, что на сегодняшний день наиболее широко используемым языком программирования является C++, то было решено создать программное средство для оценки быстродействия ПК при решении задач обработки и анализа измерительной информации на языке программирования С++, а в качестве среды программирования использовать IDE Visual C++.

Разработанное ПО позволяет получать оценки быстродействия ПК при решении задач ЦОС с точностью , где тактовая частота процессора.

В работе проведено исследование параметров, влияющих на скорость сохранения данных в ПК. Показано, что для сохранения данных целесообразно создавать специальное логическое пространство на жестком диске с целью уменьшения времени доступа к информации. При этом показано, что время доступа на жесткий диск является случайной величиной, распределение которой можно считать нормальным. В общем виде математическое ожидание времени записи данных в файл на жесткий диск описывается выражением:

,(6)

где объем записываемых данных [байт], скорость записи данных на жесткий диск [байт/c], «служебное» время, необходимое для открытия и закрытия доступа к файлу, которое как показало моделирование и носит случайный характер.

Гипотеза о нормальности распределения была проверена с помощью критерия согласия К. Пирсона при уровне значимости и была подтверждена в случае записи данных на свободные диски с файловой системой FAT32 и NTFS.

В работе получены оценки частоты дискретизации сигнала для различных механизмов управления передачей данных по межмодульному интерфейсу: в случае программного управления, управления по прерыванию и с помощью прямого доступа в память:

,(7)

,(8)

,(9)

где время выполнения алгоритма ЦОС порядка , разрядность АЦП; разрядность сохраняемых данных на ПК, число отсчетов сигнала, передаваемых в ПК единовременно, время вывода данных на экран, частота процессорной шины PCI, время обработки данных. Выражения (7), (8) и (9) определяют оценки математического ожидания интервалов дискретизации сигнала для различных реализаций управления механизмом обмена данных АЦП и ВС: для программного управления, управления по прерыванию и с помощью механизма DMA соответственно.

Полученные оценки представляют практический интерес для инженеров на этапе проектирования ИИС реального времени на базе ВС.

В качестве алгоритмов ЦОС наиболее часто используются цифровые фильтры (ЦФ). Для обнаружения известных сигналов на фоне помех могут быть использованы согласованные фильтры (СФ), а также фильтры нижних частот (ФНЧ), подавляющие помехи в области высоких частот. Суммарная погрешность ВИП определяется отношением сигнал/шум, а степень подавления помех на выходе ЦФ определяется параметрами выбранного ЦФ. В качестве модели случайного процесса, характеризующего помеху, был выбран белый шум. Дисперсия белого шума на выходе ЦФ определяется суммой квадратов импульсной характеристики.

Для СФ в случае, если информационный импульс является гауссовским видеоимпульсом вида:

, (10)

где амплитуда видеоимпульса, , то сумма квадратов импульсной характеристики СФ равна:

,(11)

где энергия сигнала , частота дискретизации сигнала. Порядок цифрового СФ определяется выражением .

ФНЧ Баттерворта обычно реализуются как фильтры с бесконечной импульсной характеристикой (БИХ-фильтры). Для расчета суммы квадратов импульсной характеристики была получена следующая формула:

(12)

где коэффициент корреляции сигнала на выходе фильтра. Таким образом, для вычисления дисперсии помехи (белого шума) на выходе БИХ-фильтра задается корреляционная функция белого шума на выходе аналогового фильтра прототипа, что является трудоемкой вычислительной задачей.

В связи с тем, что для выбранных типов ЦФ (ФНЧ Баттерворта, ФНЧ Хэмминга) в литературе отсутствуют выражения для вычисления суммы квадратов импульсной характеристики, данные выражения были получены экспериментально.

(13)

где нормированная частота среза ЦФ, порядок цифрового ФНЧ Баттерворта.

По результатам моделирования была получена зависимость оптимального значения порядка фильтра нижних частот Хэмминга для заданного значения нормированной частоты среза ЦФ и погрешности аппроксимации , которая определяет степень приближения :

.(14)

В четвертой главе рассмотрены алгоритмы оценки погрешности ИИС с ВИП при использовании различных алгоритмов ЦОС. На основании результатов второй и третьей глав разработаны алгоритмы синтеза цифровых ИИС заданного класса точности.

Задачу синтеза оптимальной структуры ИИС можно поставить так:

1. выбрать оптимальную структуру ИИС заданной точности , на основе анализа быстродействия отдельных модулей ИИС. В работе такая постановка задачи названа «прямой» задачей. Этапы решения «прямой» задачи приведены на Рис.4.

Решение о реализуемости ИИС заданной точности должно быть вынесено на основе анализа множества:

,

где определяет задачи ИИС, тип управления механизмом передачи данных, аппаратная реализация обработки данных, программная реализация обработки данных, отображение информации. Параметры , , характеризуют наличие или отсутствие аппаратной, программной обработки данных в систем, а также наличие отображения информации, в связи с этим данные параметры могут принимать только два значения: 0 и 1.

Рис.4

2. оценить минимально реализуемую погрешность ИИС , на основе анализа быстродействия отдельных модулей ИИС. В работе такая постановка задачи названа «обратной» задачей. Этапы решения «обратной» задачи приведены на Рис.5.

Для выбранных алгоритмов ЦОС определены выражения для выбора оптимальных значений порядков фильтров, значений максимальных частот дискретизации сигнала.

Рис.5

Предложенные в данной работе алгоритмы синтеза оптимальных ИИС, реализующих аппаратно-программную обработку информации и измерения с заданной точностью, позволяют на этапе проектирования оценить требования к быстродействию ИИС и распределить вычислительные задачи между аппаратными и программными модулями.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В диссертационной работе проведено исследование вопроса проектирования цифровых ИИС на базе ВС с аппаратно-программной обработкой информации на примере ИИС с время-импульсным преобразованием и разработаны алгоритмы решения задачи определения потенциальных вычислительных возможностей ИИС с аппаратно-программной обработкой данных.

В результате исследования определены состав модулей устройств ИИС, выполняющих передачу и обработку данных, характеристики сигналов, которые необходимо учитывать при расчете показателей точности, и предложены алгоритмы расчета, позволяющие оценить точность и осуществить обоснованный выбор указанных модулей при проектировании реальных ИИС.

1. получено замкнутое аналитическое выражение для оценки суммарной погрешности ВИП от отношения «сигнал/шум» и порога обнаружения для суммы видеоимпульса и нормального стационарного дифференцируемого процесса. В отличие от известных аналитических выражений для расчета суммарной погрешности, приведенное в работе выражение является обобщением полученных ранее результатов, поэтому его можно использовать для любых видов импульсных сигналов и помех с заданной корреляционной функцией. Также приведены аналитические выражения для определения оптимальных параметров ИИС ВИП с пороговым отбором (отношение сигнал/шум, интервал измерения), минимизирующих суммарную погрешность средства измерения. Для случая многократных измерений определена зависимость суммарной среднеквадратической погрешности от числа измерений.

2. Разработано программное средство для получения оценок производительности ВС с целью реализации программной обработки данных. Для выделенного класса функций, реализуемых ИИС, определены вероятностные характеристики времени выполнения отдельных задач. В работе приведено обоснование выбора программного измерительного монитора для измерений скорости выполнения задач анализа и обработки данных и показано, что результаты измерения с помощью программного монитора соответствуют спецификациям процессоров, для которых проводилось тестирование. В связи с этим представляется возможным использование данного монитора для создания средств по оценке быстродействия ВС.

Определены аналитические выражения для расчета максимальной пропускной способности интерфейса передачи данных на примере процессорной шины PCI для трех вариантов механизма обмена данными: для прямого доступа в память, программного управления и управления по прерыванию. Получены аналитические выражения для расчета максимально реализуемой частоты дискретизации сигнала в зависимости от используемого механизма передачи данных.

3. Методом имитационного моделирования получены зависимости для расчета характеристик случайных процессов на выходе цифровых фильтров. В литературе приводятся алгоритмы расчета коэффициентов ЦФ для заданных передаточных функции фильтров, при этом опускается вопрос замкнутых аналитических выражений, например, для расчета суммы квадратов импульсной характеристики. В связи с этим для известных ЦФ, прототипом которых являются аналоговые фильтры Баттерворта, получено аналитическое выражение для расчета суммы квадратов импульсной характеристики. Для цифровых фильтров с конечной импульсной характеристикой, синтезированных с помощью окон Хэмминга, получено выражение для расчета оптимального порядка фильтра, а также суммы квадратов импульсной характеристики. Для согласованных цифровых фильтров приведены аналитические выражения для расчета дисперсии белого шума на выходе ЦФ, а также приведены рекомендации по выбору уровней квантования сигнала.

4. Разработаны алгоритмы оценки требуемого быстродействия ИИС заданной точности и механизма распределения вычислительных задач на этапе проектирования. Поставлена «прямая» задача и «обратная». Решение прямой и обратной задач основано на экспериментальном определении индексов производительности системы и точности измерений на первом этапе. На основании аналитических выражений, приведенных в работе для расчета суммарной погрешности средства измерения, вычисляются параметры ЦФ. Предложенный в работе метод оценки распределения вычислительных задач, позволяет оценить возможность выбора оптимальной структуры комплекса и определить распределение вычислительных задач

СПИСОК ПУБЛИКАЦИЙ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

информационный измерительный алгоритм

1. Комшилова К.О. Погрешность измерения телеизмерительных систем ВИМ// Приборостроение и информационно-измерительные системы. Известия СПбГЭТУ «ЛЭТИ». 2006.C.51-58.

2. Комшилова К.О. Оценка быстродействия КИХ-фильтра с программной обработкой результатов измерений// Вестн. метрологич. академии. СПб., 2006. Вып.17. С.35-42.

3. Комшилова К.О. Оценка минимально реализуемой погрешности измерений для ИИС с программной обработкой информации с помощью БИХ-фильтров./ Комшилова К.О.; C.-Петербургск.гос.электротехн.ун-т.СПб, 2006. 7 c. Библиогр.8 назв. Рус. Деп. в ВИНИТИ 29.06.2006 №876-B2006.

4. Комшилова К.О. Оценка быстродействия БИХ-фильтров с программной обработкой результатов измерений/ Комшилова К.О.; С.-Петербургск. гос. электротехн. ун-т. СПб., 2006. 9 c.: ил. Библиогр.8 назв. Рус. Деп. в ВИНИТИ 29.06.2006 №875-B2006.

5. Комшилова К.О. Методы оценки быстродействия КИХ-фильтров для ИИС с программной обработкой результатов измерений/ Комшилова К.О.;

С.-Петербургск. гос. электротехн. ун-т. СПб., 2006. 10 c.: ил. Библиогр.8 назв. Рус. Деп. в ВИНИТИ 29.06.2006 №877-B2006.

6. Комшилова К.О. Оценки минимально реализуемой погрешности измерений для ИИС с программной обработкой информации с помощью КИХ-фильтров/ Комшилова К.О.; С.-Петербургск.гос.электротехн.ун-т. СПб., 2006. 9c. Библиогр.8 назв. Рус. Деп. в ВИНИТИ 29.06.2006 №878-B2006.

Размещено на Allbest.ru