Оптоелектронні системи відображення даних на основі дискретно-аналогових інформаційних моделей

Размещено на http://www.allbest.ru/

Державний університет інформаційно-комунікаційних технологій

Спеціальність 05.12.20 - оптоелектронні системи

УДК 621.317.7

дисертації на здобуття наукового ступеня доктора технічних наук

АВТОРЕФЕРАТ

ОПТОЕЛЕКТРОННІ СИСТЕМИ ВІДОБРАЖЕННЯ ДАНИХ НА ОСНОВІ ДИСКРЕТНО-АНАЛОГОВИХ ІНФОРМАЦІЙНИХ МОДЕЛЕЙ

БУШМА ОЛЕКСАНДР

ВОЛОДИМИРОВИЧ

Київ - 2007

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана в Державному університеті інформаційно-комунікаційних технологій Міністерства транспорту та зв'язку України

Науковий консультант: доктор фізико-математичних наук, професор Сукач Георгій Олексійович, Державний університет інформаційно-комунікаційних технологій, завідувач кафедри

Офіційні опоненти: доктор технічних наук, професор Осінський Володимир Іванович, Центр оптоелектронних технологій НДІ мікроприладів НТК "Інститут монокристалів" НАН України, директор доктор технічних наук, професор Панфілов Іван Павлович, Одеська національна академія зв'язку ім. О. С. Попова, завідувач кафедри доктор технічних наук, професор Тимчик Григорій Семенович, Національний технічний університет України "Київський політехнічний інститут", завідувач кафедри

Провідна установа: Інститут проблем реєстрації інформації НАН України, відділ оптичних носіїв інформації, м. Київ

Захист відбудеться 30 травня 2007 р. о 1400 на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 26.861.01 в Державному університеті інформаційно-комунікаційних технологій за адресою: 03110, Київ-110, вул. Солом'янська, 7.

З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Державного університету інформаційно-комунікаційних технологій за адресою: 03110, Київ-110, вул. Солом'янська, 7.

Автореферат розісланий " " квітня 2007 р.

Учений секретар спеціалізованої вченої ради Н. І. Кунах

1. ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Автоматизація систем керування складними технічними об'єктами та процесами, а також підвищення вимог до їх точності та швидкодії в поєднанні з безупинною модернізацією наукомістких технологій одержання й транспортування даних нерозривно пов'язані з постійним і істотним зростанням обсягів інформації, яка обробляється в інформаційно-вимірювальних комплексах. У більшості випадків зусилля розробників концентруються на вирішенні проблеми удосконалення апаратурної частини інформаційно-комунікаційних засобів, що створюються чи модернізуються.

В той же час багатофакторність зовнішніх впливів на технічну систему та багатоваріантність можливих шляхів досягнення оптимального кінцевого результату в більшості випадків передбачує наявність людського фактора при керуванні складними об'єктами та технологічними процесами. У результаті високий рівень відповідальності оператора за прийняті рішення в сучасних ергатичних вимірю-
вальних та керуючих системах при постійно зростаючих інформаційних потоках визначає особливу увагу до функціональної реалізації передачі системних повідомлень людині. Ключовим фактором у побудові інтерфейсу користувача є системний підхід, який інтегрує комплексну оптимізацію апаратурних рішень і підвищення ефективності візуального каналу виводу даних в складних умовах експлуатації спеціалізованого інформаційного устаткування.

Практична реалізація загальних принципів створення спеціалізованих та універсальних систем відображення інформації (СВІ) з високим рівнем технічних та ергатичних параметрів стала можливою винятково завдяки значним досягненням оптоелектроніки в останні роки. Це забезпечило функціональну і технічну реалізацію найбільш ефективних способів одержання, перетворення, передачі та виводу інформації. У результаті були також створені передумови для побудови апаратурних рішень візуального подання інформації, що мають унікальний комплекс електричних і оптичних параметрів.

Дослідження процесу інформаційної взаємодії об'єктів, які функціонують у середовищі "людина-машина", показало, що найбільш критичним з точки зору надійності в ергатичній вимірювальній чи керуючій системі є канал передачі даних від технічних засобів до оператора. Відповідно до цього практично в усіх комерційних розробках застосовуються цифрові методи обробки та відображення повідомлень, що забезпечує досягнення необхідної надійності та гнучкості апаратурної реалізації усіх структурних елементів інформаційної системи.

У кожній оптоелектронній системі для відображення даних установлюються правила, що визначають взаємозв'язок повідомлень, які формуються, та синтезованих оптичних образів, тобто реалізується специфічне кодування сигналів за допомогою відповідної інформаційної моделі (ІМ). При дискретній реалізації візуального подання цифрових даних у радіоелектронних пристроях найбільш широке поширення одержали знакові (символьні) та дискретно-аналогові (шкальні) моделі. Незаперечні переваги останніх при побудові каналу, що вирішує задачу достовірної передачі інформації оператору в умовах жорсткого обмеження часу на її сприйняття та розшифровку, були продемонстровані в ході експериментальних досліджень ряду серійних вимірювальних приладів. У результаті поєднання оптоелектронних методів і засобів обробки даних з дискретно-аналоговими принципами кодування візуальних повідомлень дозволяє реалізувати високонадійні пристрої виводу інформації з унікальним комплексом технічних і ергономічних характеристик.

Однак потенційні можливості цього виду систем виводу інформації дотепер цілком не виявлені та не використані в зв'язку з пануючим прагматичним підходом до їх побудови, який проявляється в напрямку створення конкретного індикаторного пристрою для даного типу спеціалізованої інформаційно-вимірювальної системи або використання вже розроблених пристроїв у нових комплексах без урахування їх функціональної та інженерно-психологічної специфіки. При цьому, як правило, не враховуються усі можливі фактори, що дозволяють оптимізувати цю оптоелектронну систему відображення інформації в цілому, а також її елементи, за технічними та ергономічними параметрами. Істотну роль тут відіграє відсутність теоретичних основ обробки та передачі інформації в дискретно-аналоговій формі людині в ергатичній системі, в тому числі, специфічних моделей, що описують взаємодію елементів цього виду оптоелектронної системи відображення інформації на різних рівнях її подання.

Низька ефективність різнорідних методів оптимізації, які використовуються розробниками при побудові систем відображення інформації з дискретно-аналоговими інформаційними моделями, в поєднанні із зростанням жорсткості обмежень часу на розшифровку оператором повідомлень, що надходять, а також постійне активне удосконалювання елементної бази оптоелектроніки при все зростаючих потребах промисловості у високоефективних системах для надійного та достовірного відображення критичної інформації в складних експлуатаційних умовах роблять проведення комплексних науково-технічних досліджень у даному напрямку вкрай актуальним.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами.

Робота пов'язана з практичними потребами галузі зв'язку України. Проблема, розв'язанню якої присвячена дисертація, безпосередньо випливає із задач у сфері науки і техніки, сформульованих у "Концепції розвитку зв'язку України до 2010 року", затвердженої Постановою Кабінету Міністрів України № 223/8 від 09.12.1999 р., "Переліку державних, наукових і науково-технічних програм по пріоритетним напрямкам розвитку науки і техніки на 2002 - 2006 роки", затвердженому Постановою Кабінету Міністрів України № 1716 від 24.12.2001 р., "Концепції розвитку ВАТ "Укртелеком" до 2005 року", Державними програмами створення Єдиної національної системи зв'язку та інформатизації. Науковою базою дисертації стали результати, одержані в процесі виконання науково-дослідних робіт, які проводились на замовлення та за планами Державного комітету зв'язку та інформатизації України, ВАТ "Укртелеком" та Міністерства освіти і науки України у 2001 - 2007 роках.

Основні результати дисертаційної роботи отримані в ході виконання планових наукових тем:

1. "Процеси генерації, перетворення і розповсюдження випромінювання в напівпровідникових та полімерних структурах різної розмірності і розробка оптоелектронних приладів", 1999 рік. Номер державної реєстрації 0100U000116.

2. "Радикало-променева гетеруюча епітаксія - новий метод у технології напівпровідникових приладових структур на основі сполук". Проект ДФФД № 0407/256, 2001 рік. Номер державної реєстрації 0101U006116.

3. "Механізми утворення напівпровідникових наногетеросистем та самоорганізація в матеріалах для структур та елементів оптоелектроніки", 2002 рік. Номер державної реєстрації 0103U000365.

4. "Проведення міжнародної координації і нотифікації супутникових мереж "Явір-1" та "Січ-2", 2005 рік. Номер державної реєстрації 0105U006704.

5. "Фізико-технологічні та програмні засади квантово-розмірних елементів на основі багатошарових та поруватих структур для оптоелектронних систем", 2007 рік. Номер державної реєстрації 0107U003056.

Мета роботи - розробка наукових основ побудови оптоелектронних систем відображення інформації з використанням дискретно-аналогових інформаційних моделей та технічна реалізація широкого спектру апаратурних рішень, що оптимізовані на базі розроблених аналітичних моделей за критеріями, які мають суттєве практичне значення.

Досягнення поставленої мети вимагало вирішення ряду задач:

аналізу взаємодії функціональних елементів систем відображення даних на основі дискретно-аналогових інформаційних моделей між собою та з відповідним зовнішнім середовищем при різних рівнях системного подання;

визначення ролі структурних елементів шкальних індикаторних пристроїв в функціональній і апаратурній оптимізації побудови засобів передачі інформації оператору ергатичної системи;

вивчення інформаційної природи шкального відображення даних і на цій основі розробки аналітичної інтерпретації алфавітів візуальних образів;

визначення основних закономірностей візуального сприйняття інформаційних моделей шкального подання повідомлень;

розробки системи класифікації інформаційних моделей для створення нових форм відображення даних та пристроїв з оптимізованими ергономічними та технічними параметрами;

аналізу, визначення й аналітичної інтерпретації принципів формування зображення на оптоелектронних індикаторах різних типів;

розробки та експериментальних натурних випробувань модулів шкального індикатора різного конструкторсько-технологічного виконання;

створення й оптимізації математичних моделей, що використовують множинні, матричні та логіко-часові варіанти опису динамічного та статичного збудження електрооптичного перетворювача індикаторного пристрою;

обґрунтування, апробації та практичної реалізації методів структурної та параметричної оптимізації систем відображення даних з дискретно-аналоговими інформаційними моделями;

розробки та апробації апаратурних рішень, які забезпечують одержання досто-вірного статичного та динамічного дискретно-аналогового подання інформації при відмові блоків шкальних індикаторних пристроїв;

розробки та схемотехнічної апробації нових апаратурних рішень індикаторних пристроїв, оптимізованих за практично значимими критеріями;

створення, імітаційного моделювання та використання при проведенні експериментальних досліджень елементів оптоелектронних вимірювальних систем і технічних засобів для контролю параметрів оптичного випромінювання шкальних індикаторів.

Об'єктом досліджень були функціональні й апаратурні рішення та пристрої системи відображення даних на основі дискретно-аналогових інформаційних моделей та її елементів, а предметом - різні форми та параметри математичних моделей, які описують функціонування систем відображення інформації, що досліджуються на різних рівнях деталізації їх подання.

При вирішенні поставлених у роботі задач використовувалися методи теорії матриць і множин, теорії цифрових систем, теорії електричних кіл, теорії надійності, комбінаторної топології, а також застосовувалося комп'ютерне імітаційне моделювання та математичне моделювання оптоелектронних систем відображення інформації та їх елементів для комплексного аналізу взаємодії технічних засобів і оператора, розробки конкретних апаратурних рішень, а також наступної оптимізації їх параметрів. Були розроблені пристрої та технічні засоби, що реалізують отримані теоретичні результати схемотехнічними методами, виготовлені та досліджені експериментальні зразки виробів, упроваджені деякі технічні рішення в промислове виробництво.

Наукова новизна одержаних результатів полягає в тому, що в підсумку виконаних науково-технічних досліджень та розробок вперше:

Запропоновано, детально досліджено, апробовано і технічно реалізовано сімей-ство семіотичних і логічних інформаційних моделей шкального подання пові-домлень оператору ергатичної системи, що дозволило створити теоретичні основи побудови візуального каналу передачі інформації в системі відображення даних у дискретно-аналоговій формі.

Отримано, оптимізовано та реалізовано математичні моделі цифрової обробки інформації в логічній та арифметичній формі, які визначають функціонування апаратури синтезу візуальних образів на оптоелектронному інформаційному полі дискретно-аналогового індикатора, що дало можливість сформувати теоретичні основи схемотехнічної реалізації систем відображення даних шкального типу.

Запропоновано, математично обґрунтовано та реалізовано в реальній схемотехніці пристроїв відображення інформації нові методи структурної та параметричної мінімізації апаратурних рішень шкальних індикаторів, а також розроблено і практично застосовано ряд рекомендацій з підвищення рівня їх техніко-економічних характеристик і параметрів надійності, що створило ефективну базу для формування наукових і технічних основ комплексної оптимізації засобів візуального виводу даних у дискретно-аналоговій формі на різних рівнях їх системного подання.

Проведено експериментальне імітаційне моделювання, отримані в еквівалентних умовах та зіставлені параметри сприйняття адитивної та позиційної форм дискретно-аналогового відображення повідомлень, що дозволило оптимізувати вибір інформаційної моделі для специфічних умов застосування оптоелектронної системи відображення даних у шкальній формі.

Запропоновано, теоретично проаналізовано та практично реалізовано оригінальні адитивно-контурну та позиційно-адитивну інформаційні моделі, які мають компромісне поєднання функціональних і ергономічних параметрів у порівнянні з адитивною та позиційною формою відображення системних повідомлень і дозволяють створювати шкальні індикаторні пристрої, що оптимізовані за комп-лексом ергономічних і технічних характеристик, забезпечують оперативне сприйняття та достовірну розшифровку даних у екстремальних умовах експлуатації оптоелектронних систем.

Проаналізовано науково-технічні проблеми, аналітично й експериментально досліджено методи динамічного та статичного синтезу візуальних образів на інформаційному полі шкального індикатору, які дозволяють забезпечити безпомилкову розшифровку системних повідомлень людиною й одночасно оперативну діагностику пошкоджень, що виникли, у випадку відмови блоків пристрою відображення даних.

Науково обґрунтовано та запропоновано нові алгоритми обробки інформації та системні принципи побудови засобів для контролю функціональних параметрів джерел випромінювання оптоелектронних систем.

Практичне значення одержаних результатів.

Створено й апаратурно реалізовано технічні рішення, які дозволяють синтезувати на шкальному індикаторі гаму дискретно-аналогових інформаційних моделей у статичному та динамічному режимі, що забезпечує побудову оптоелектронних систем відображення даних, оптимізованих у відповідності до вимог, які породжені специфічними умовами експлуатації серійних інформаційних і керуючих систем.

Запропоновано та схемотехнічно реалізовано оригінальні шкальні засоби візуалізації, що забезпечують безпомилкове зчитування даних з індикатора при катастрофічних відмовах найбільш критичних з точки зору надійності блоків оптоелектронних систем.

На основі математичних моделей синтезу сигналів для керування індикатором в арифметичній формі розроблено й апаратурно реалізовано пристрої дискретно-аналогового відображення даних, а саме:

універсальне технічне рішення, що дозволяє підключати шкалу із модулів як з позитивним, так і негативним загальним електродом,

оптимізований індикатор, що оперативно змінює форму подання інформації на шкалі.

Запропоновано й адаптовано для практичної оптимізації шкальних пристроїв виводу даних рекомендації з неструктурної мінімізації апаратурних рішень схем керування дискретно-аналоговим індикатором на основі оцінки їх енергетичної ефективності та шляхом варіації числа ортогональних шин у матриці елементів електрооптичного перетворювача.

Розроблено та конструктивно апробовано модулі дискретно-аналогового індикатору, які дозволяють формувати на шкалі адитивно-контурне подання інформації, що забезпечує якісно новий рівень ергономічних і функціональних параметрів оптоелектронної системи відображення даних.

Створено та використано при проведенні експериментальних досліджень новий програмний комплекс імітаційного моделювання шкального індикатора на основі комп'ютерної техніки.

Розроблено принципи побудови, запропоновано та реалізовано нові пристрої, які забезпечують створення високоточних засобів контролю оптичних і теплових параметрів напівпровідникових елементів дискретно-аналогового індикатору.

Практичні результати роботи підтверджені актами впровадження, а їх наукова і технічна новизна та оригінальність - патентами.

Обґрунтованість і достовірність наукових положень, висновків і рекомендацій забезпечена використанням сучасних теорій та комплексним характером досліджень, узгодженістю отриманих результатів з даними інших авторів (де це порівняння можливе), обговоренням висунутих наукових положень та зроблених висновків на багатьох міжнародних науково-технічних конференціях, експериментальними випробуваннями та реалізацією розроблених пристроїв і технічних рішень в конкретних радіоелектронних та телекомунікаційних ергатичних оптоелектронних системах. Отримані експериментальні результати знаходяться в добрій якісній та кількісній відповідності до висунутих теоретичних положень.

Особистий внесок здобувача. У дисертації узагальнені результати багаторічних досліджень та розробок, виконаних автором як самостійно, так і в співавторстві. У переважній більшості останніх автор був ініціатором досліджень, пропонував ідеї, формулював задачі та визначав шляхи їх вирішення, розробляв відповідні методики, активно брав участь у виготовленні експериментальних зразків пристроїв і установок, проведенні досліджень, обробці, узагальненні та інтерпретації отриманих результатів, а також їх впровадженні. Переважна більшість одержаних результатів доповідалась автором особисто на міжнародних конференціях і семінарах. Основні наукові положення та висновки, які складають суть дисертації, автор сформулював особисто.

Апробація результатів дисертації. Основні результати дисертації доповідалися та обговорювалися на 22 міжнародних конференціях та симпозіумах, в тому числі, на Міжнародній конференції "Renewable energy. Results of Fundamental Research for Investments" / IWRFRI ' 2001 (Saint-Petersburg, Russia, 2001 г.); VIII, IX і X Міжнародних конференціях з фізики і технології тонких плівок / МКФТТП-VIII, МКФТТП-IХ, МКФТТП-Х (Івано-Франківськ, Україна, 2001, 2003, 2005 р. р.); III Міжнародній школі-конференції "Сучасні проблеми фізики напівпровідників" (Дрогобич, Україна, 2001 р.); Другій і Третій міжнародних науково-технічних конференціях "Оптоелектронні інформаційні технології" / ФОТОНІКА-ОДС 2002, ФОТОНІКА-ОДС 2005 (Вінниця, Україна, 2002, 2005 р. р.); The 3rd International Conference "Advanced Optical Materials and Devices" / AOMD-3 (Riga, Latvia, 2002 г.); X1 International Symposium'2002 "Advanced Display Technologies" / ADT-2002 (Crimea, Ukraine, 2002 р.); 1-й Українській науковій конференції (з міжнародною участю) з фізики напівпровідників / УНКФН-1 (Одеса, Україна, 2002 р.); Першій та Другій науково-технічних конференціях з міжнародною участю "Матеріали електронної техніки та сучасні інформаційні технології" / МЕТІТ-1, МЕТІТ-2 (Кременчук, Україна, 2004, 2006 р. р.); П'ятій, Шостій та Сьомій міжнародних науково-практичних конференціях "Современные информационные и электронные технологии" / СИЭТ-2004, СИЭТ-2005, СИЭТ-2006 (Одеса, Україна, 2004, 2005, 2006 р. р.); 10th International IMEKO TC7 Symposium "Advances of Measurement Science" / AMS'04 (Saint-Petersburg, Russia, 2004 р.); Міжнародній науково-технічній конференції "Информационные технологии и информационная безопасность в науке, технике и образовании" / ИНФОТЕХ-2004 (Севастополь, Україна, 2004 р.); Міжнародній науково-методичній конференції "Актуальні проблеми розвитку інформаційно-комунікаційних технологій навчання у напрямку інтеграції вищої освіти України до єдиного Європейського освітнього простору" (Київ, Україна, 2004 р.); І та ІІ Міжнародних науково-технічних конференціях "Сучасні інформаційно-комунікаційні технології" / COMINFO ' 2005, COMINFO ' 2006 (Кацивелі, Крим, Україна, 2005, 2006 р. р.); ІІІ Міжнародній науково-методичній конференції "Болонський процес: трансформація навчального процесу у технологію навчання" (Київ, Україна, 2006 р.); ІХ Міжнародній науково-технічній конференції "Проблемы современной электротехники" / ПСЭ-2006 (Київ, Україна, 2006 р.).

Публікації. Основні положення та зміст дисертації відображено в 63 наукових публікаціях (14 із них - одноосібні), в тому числі, в 27 статтях (6 із них - одноосібні) в фахових виданнях, затверджених ВАК України для публікації матеріалів докторських дисертацій, в 9 патентах України і 1 свідоцтві про авторське право на комп'ютерну програму та в 26 тезах та матеріалах доповідей на міжнародних конференціях та симпозіумах.

Структура дисертації. Дисертація складається з вступу, шести розділів, висновків, списку використаних літературних джерел та додатку. Повний обсяг роботи - 428 сторінок, в тому числі, основний текст викладено на 324 сторінках, який супроводжується 41 ілюстрацією та 4 таблицями на 44 сторінках. Список використаних джерел має 275 найменувань на 27 сторінках. В додатку, який займає 5 сторінок, наведені акти впровадження.

2. ОСНОВНИЙ ЗМІСТ

У вступі обґрунтовані актуальність та напрям досліджень, сформульовані мета роботи та задачі, які вирішувались, визначені наукове та практичне значення виконаних досліджень, їх зв'язок із плановими завданнями та державними науковими програмами, наведені відомості, що стосуються впровадження отриманих результатів у виробництво, а також інформація про особистий внесок здобувача в виконані дослідження та розробки, про апробацію роботи та публікації, де висвітлені основні результати дисертації.

В першому розділі з системної точки зору розглянуто та проаналізовано засоби виводу інформації в дискретно-аналоговій формі. На цій основі визначено критичні для побудови ефективної СВІ елементи та функціональні зв'язки в системах різного рівня, за допомогою літературних джерел вивчено їх особливості та визначено напрямки подальших досліджень.

Вивчено взаємодію СВІ на основі шкальних ІМ і її елементів як із зовнішнім середовищем, так і між собою, сформовано багаторівневе подання та показано, що аналіз, моделювання та оптимізацію параметрів індикаторних пристроїв з метою підвищення її ефективності доцільно проводити на системах трьох рівнів: на найвищому - у складі ергатичної системи; на середньому - у вигляді самостійної системи, із урахуванням її взаємодії з зовнішнім середовищем, а також на найнижчому - на рівні основних підсистем СВІ, які визначають критичні параметри пристрою відображення інформації в цілому.

З використанням аналізу взаємодії функціональних елементів шкальних індикаторних пристроїв на трьох рівнях системної ієрархії отримано і досліджено відповідні структурні матриці систем. Визначено, що комплексне підвищення рівня параметрів оптоелектронних СВІ зі шкальним поданням повідомлень найбільш ефективно може бути реалізовано шляхом оптимізації інформаційної та неінформаційної взаємодії з середовищем відповідного ієрархічного рівня системи, інформаційної взаємодії з оператором та міжблочної взаємодії на рівні підсистеми шкального індикаторного пристрою. На основі формалізації опису окремих етапів обробки даних в СВІ отримано загальний математичний опис процесу перетворення інформації, що сформувало єдиний методологічний підхід до різних варіантів технічної реалізації шкальних засобів індикації, спростило дослідження, а також зіставлення й оптимізацію пристроїв відповідно до необхідних техніко-економічних критеріїв.

На основі вивчення різних типів ІМ, які використовуються в серійних СВІ, представлено й обґрунтовано роль ІМ в ергатичній системі, запропоновані аналітичні принципи побудови ІМ дискретно-аналогового подання повідомлень. Показано, що ІМ є основою реалізації СВІ та визначає весь комплекс її ергономічних і техніко-економічних характеристик. Тому створення ергатичної системи треба починати з вибору та обґрунтування форми виводу інформації, що призначена для оператора.

Показано, що істотний вплив на реалізацію СВІ визначає побудова його інформаційного поля (ІП), оскільки ергономічні параметри реального індикаторного пристрою, в першу чергу, пов'язані з технічним втіленням цього вузла. Функціонально ІП являє собою електрооптичний перетворювач (ЕОП), за допомогою якого формується оптична неоднорідність при збудженні його відповідних елементів.

Аналіз технічних реалізацій шкальних індикаторних пристроїв (ШІП) показав, що їх побудова, як правило, залежить не від типу індикаторних елементів, а від структура електричних зв'язків між ними. Показано, що переважна більшість різновидів цих зв'язків зводиться до двох груп: лінійного (однокоординатного) та двокоординатного матричного електричного з'єднання елементів. На цій основі визначено роль дискретно-аналогового індикатора (ДАІ) та побудови його ІП в шкальному пристрої відображення даних, обґрунтований нерозривний зв'язок ДАІ з ІМ та її системною реалізацією.

Класифіковані та проаналізовані системні обмеження, які визначають рівень ергономічних параметрів засобів візуального виводу даних на основі дискретно-аналогових ІМ та вимагають узгодження фізіологічних можливостей оператора з технічними характеристиками пристроїв відображення повідомлень. Визначено, що істотне підвищення рівня ергономічних параметрів шкальних індикаторних пристроїв може бути досягнуто шляхом оптимізації геометрії ІП і топології формованих символів за рахунок зменшення світловипромінюючої площі індикатора та збудження контурів символів, які використовуються у візуальних алфавітах.

На основі багаторівневого системного підходу до побудови СВІ зі шкальним поданням повідомлень визначено, що найбільш ефективними напрямками підвищення рівня техніко-економічних і ергономічних параметрів пристроїв індикації розглянутого типу є: оптимізація побудови каналу передачі інформації оператору та комплексна мінімізація апаратурних рішень елементів системи. Реалізація високоефективної оптичної передачі даних людині визначається типом ІМ та побудовою ІП, на якому вона формується. Комплексна мінімізація апаратурних рішень включає, з одного боку, вибір необхідної логічної інформаційної моделі у відповідності до задач, які вирішуються, що визначає функціональну структуру пристрою
відображення даних у цілому. З іншого боку - це оптимізація внутрішніх алгоритмів обробки сигналів у СВІ на основі аналізу процесу перетворення інформації на різних рівнях її системного подання.

Визначено, що оптимізація технічних і ергономічних характеристик СВІ на основі дискретно-аналогових ІМ вимагає створення спеціалізованих технічних засобів, які забезпечують експериментальні дослідження та контроль параметрів оптичного випромінювання шкальних індикаторів, а також для проведення імітаційного моделювання передачі даних у каналі зв'язку з оператором.

Другий розділ присвячений вивченню ІМ як основи оптоелектронної СВІ з точки зору семіотики, яка визначає способи передачі інформації, властивості знаків та знакових систем.

Запропоновано формалізований підхід до опису процесу передачі даних від технічних засобів оператору ергатичної оптоелектронної системи, що дозволив оцінити інформаційну надлишковість різних форм візуального кодування повідомлень. В результаті отримано вирази для оцінки кількості переданої інформації при відсутності перешкод і спотворень у каналі, а також формулу для розрахунку коефіцієнта надлишковості ІМ KRIM у випадку виключення появи позаштатних візуальних образів на ІП індикатора. На цій основі зіставлено ряд ІМ цифрового (знакового) та дискретно-аналогового відображення даних. На рис. 1 представлені результати розрахунку кількості переданої інформації D для систем з алфавітом довжиною до 100 символів (крива 1), з якого видно зростання D зі збільшенням числа елементів множини повідомлень l. Це справедливо для всіх типів індикаторів. Також наведені залежності KRIM для шкального (крива 2) і для 9-, 7-, 6- та 5-сегментних цифрових індикаторів (криві 3 - 6, відповідно).

Размещено на http://www.allbest.ru/

В результаті встановлено і чисельно підтверджено, що з ростом довжини алфавіту, і, відповідно, обсягу переданої інформації, надлишковість шкальних моделей збільшується, а знакових - зменшується, що відбиває різну природу цих візуальних образів і визначає доцільність переважного використання дискретно-аналогового подання інформації для підвищення надійності оптоелектронних систем у критичних умовах експлуатації.

На основі узагальненого подання повідомлення в дискретно-аналоговій формі запропоновано для класифікації ІМ використовувати вагову функцію візуального образу , що формується при виводі даних на індикатор. Її значення пов'язане з ваговими функціями початкового та кінцевого індикаторних елементів квазібезперервного образу символу ІМ

.

В результаті сформовано чотири групи семіотичних ІМ, що реалізують дискретно-аналогове подання повідомлень, в яких використовується позиційне, адитивне, спеціалізоване та комбіноване візуальне кодування даних. Незмінне значення вагової функції візуальних образів для всіх символів ІМ свідчить про постійні параметри і про відсутність додаткової інформації в самому зображенні, що відповідає позиційній моделі. Наявність пропорційної залежності значення від позиційного номера символу в алфавіті ІМ є ознакою адитивної моделі. В цьому випадку інформація надходить оператору як через положення відлікового кінця оптичної неоднорідності відносно градуйованої шкали, так і завдяки зміні розміру (довжини) цієї неоднорідності на ІП. До групи спеціалізованих ІМ шкального відображення повідомлень входять форми подання даних, які мають ознаки адитивної і/або позиційної моделі, але не можуть бути віднесені до них. Комбінована форма ІМ об'єднує цифрове та шкальне подання даних на загальному ІП.

На доданок до вже відомого математичного подання семіотичної адитивної моделі аналітично описані та проаналізовані властивості: двох варіантів позиційної, двох нових спеціалізованих і однієї комбінованої ІМ.

При використанні позиційної ІМ відлік робиться по положенню постійною за розміром оптичної неоднорідності на ІП індикатора відносно мірної шкали. Варіант позиційної ІМ, сформованої з двох збуджених елементів ІП, які мають вагові функції, що відрізняється на одиницю, і розташовані поруч на шкалі, дозволяє значно збільшити рівень надійності виводу даних.

Символи адитивного шкального подання інформації синтезуються з ряду елементів ІП, які мають вагову функцію, починаючи від її мінімальної величини до значення , що відповідає виведеному повідомленню.

У запропонованій спеціалізованій позиційно-адитивній ІМ формування символів відбувається на ІП відносно фіксованих відрізків багатоканальної міри - субмір. У цій якості використовуються довжини відрізків між основними (числовими) позначками градуювання, які мають однакову довжину, що визначається модулем оцифрування . При синтезі символу , що відображає значення повідомлення , для якого відповідає -му відрізку (субмірі) шкали, де , а - антье, збуджується ряд елементів ІП, починаючи з останнього елемента, що відноситься до -ї субміри, до -го, який попадає на -у субміру. Ця ІМ забезпечує в середньому приблизно десятикратне зниження потужності, що споживається індикатором. Ергономічні характеристики позиційно-аналогового відображення даних також акумулюють кращі властивості як позиційної, так і адитивної ІМ. По-перше, це малий вплив на сприйняття зображення елементів ІП з ваговою функцією . А, по-друге, - наявність залежності довжини візуальних образів від значень повідомлень. Така ситуація забезпечує істотні переваги позиційно-аналогової форми відліку в порівнянні з традиційними, особливо завдяки використанню шкали зі стандартною топологією.

Розроблено спеціалізоване адитивно-контурне шкальне відображення інформації, що формується у вигляді зовнішнього контуру звичайного адитивного відображення повідомлень на ДАІ. Для створення таких візуальних образів потрібен індикатор, елементи якого складаються з трьох фрагментів. Значне скорочення збудженої площі ІП по відношенню до звичайної адитивної ІМ забезпечує зростання рівня ергономічних параметрів за рахунок зниження впливу на сприйняття зображення елементів ІП з ваговою функцією , а також пропорційність довжини візуального образу значенню повідомлення. Одночасно при типових розмірах елементів ІП відбувається приблизно чотириразове зниження енергоспоживання індикаторів на світловипромінюючих діодах (СВД).

Визначено, що комбінована ІМ забезпечує одночасне цифрове та шкальне подання системного повідомлення. Загальне ІП інтегрує дві відносно незалежні інформаційні частини, які формують відповідно знакову та дискретно-аналогову ІМ. В результаті модель набуває властивостей, притаманних своїм складовим. Цифрова частина забезпечує високу дискретність, а шкальна - високий рівень ергономічних параметрів при обмеженому ресурсі часу на розшифровку повідомлень.

Виявлено, що завдяки граничній простоті позиційна ІМ може бути реалізована з мінімальними апаратурними витратами на збудження ЕОП. Висока економічність робить цю групу ІМ незамінною для автономних індикаторних пристроїв. При відсутності жорстких обмежень по енергоспоживанню для виводу інформації найчастіше застосовується адитивна ІМ, бо вона забезпечує високий рівень ергономічних характеристик та надійність СВІ за рахунок інформаційної надлишковості.

Показано, що спеціалізовані моделі вирішують задачі підвищення надійності, економічності та ряду інших техніко-економічних параметрів СВІ, а також інтегрують властивості позиційного та адитивного подання повідомлень, що забезпечує пристроям на цій основі найбільш широку сферу впровадження. Комбінована ІМ застосовується в оптоелектронних СВІ, що використовуються в складних змінних умовах експлуатації, при наявності комплексу суперечливих вимог до ергономічних параметрів системи.

Розроблено, апробовано і використано для проведення досліджень ІМ дискретно-аналогового відображення повідомлень програмний комплекс імітаційного моделювання шкальних індикаторів, що включає комп'ютерну програму і спеціалізовану базу даних, які забезпечують збір, накопичення й ефективну обробку результатів експерименту. Високий рівень достовірності отриманих ергономічних параметрів забезпечується використанням алгоритму програми, побудованого на зіставленні результатів зчитування оператором випадкових значень повідомлень, представлених у різній формі, яка теж встановлюється по випадковому закону.

Показано на основі імітаційних ергономічних досліджень за участю 43 операторів, які зробили 8,5 тисяч відліків, що в умовах обмеженого часу на сприйняття повідомлення менше число помилок зчитування даних забезпечує позиційна форма подання, однак час реакції оператора в цьому випадку виявляється більшим, ніж при використанні адитивного варіанта візуального кодування даних.

У третьому розділі подані результати вивчення ДАІ як системного засобу реалізації ІМ, розробки нових типів шкального індикатора та визначення їх властивостей, а також створення апаратурних засобів для контролю функціональних параметрів джерел випромінювання для оптоелектронних СВІ.

На основі аналізу літературних джерел та наявної серійної елементної бази для реалізації шкальних індикаторів показано, що реальне застосування в промислових оптоелектронних СВІ знайшли практично тільки три типи дискретно-аналогових ЕОП: на основі СВД, рідких кристалів і вакуумних катодолюмінесцентних індикаторів. При цьому для надійного та достовірного відображення інформації в складних умовах експлуатації технічних засобів керування мобільними об'єктами і технологічними процесами найкращий комплекс ергономічних і техніко-економічних характеристик мають індикатори на основі СВД.

З використанням узагальненого інформаційного підходу до функціонування ДАІ показано, що перетворення електричного сигналу , який використовується для формування символу , описується виразом

,

де - оператор, що відповідає багатоканальному перетворенню форми подання повідомлень з електричної в оптичну; - оператор, що описує логічні властивості ЕОП.

Аналіз реакції запропонованої структури, яка функціонально імітує окремий елемент ЕОП, на повну групу комбінацій вхідних електричних сигналів дозволив встановити логічну функцію, яка відповідає властивостям, що проявляються при збудженні елементів ІП. Визначено, що полярні елементи реалізують логічну функцію "ЗАБОРОНА", а неполярні - функцію "ВИКЛЮЧНЕ АБО".

Запропоновано математичний опис формування зображення на індикаторі, елементи якого з'єднані двовимірною матрицею , де , - відповідно кількість її старших (рядків) і молодших (стовпців) розрядів. Оскільки в збуджений стан переводяться елементи, що знаходяться на перетині рядків та стовпців, до яких підведені ініціюючі електричні сигнали (напруга живлення / струм потрібного рівня та напрямку), показано, що формування зображення при матричному електричному з'єднанні елементів ЕОП може бути аналітично описано на основі векторного добутку сигналів керування шинами рядків і стовпців матриці.

Визначено, що при моделюванні динамічного багатотактного синтезу оптичного образу на індикаторі з використанням векторного добутку сигналів утворюється множина матриць, число яких дорівнює кількості тактів сканування ЕОП. Кожна матриця описує збудження елементів індикації під час відповідного такту формування повідомлення, а їх об'єднання за період сканування - зображення в цілому.

Далі розроблено конструкцію і досліджено ряд варіантів побудови шкального індикатора для формування адитивно-контурного подання інформації на ІП СВІ. В основу реалізацій шкали покладено запропоновану топологію, яка представлена на рис. 2. "Контур" адитивної ІМ формується зі збуджених елементів ІП, що відповідають початковому значенню повідомлення і переданому повідомленню, тобто з елементів із ваговими функціями і . Вони утворюють "верхню" і "нижню" сторони прямокутника контуру. Крім цього, збуджуються "ліва" й "права" сторони прямокутника як два ряди елементів з ваговими функціями від до . У результаті для формування зображення на ІП індикатора потрібно перевести у збуджений стан три групи елементів. Дві з них синтезують візуальний образ "лівої" (елементи 1…5) і "правої" (елементи 6…10) сторін прямокутника контуру. Третя група елементів 11…14 призначена для формування "верхньої" та "нижньої" сторін прямокутника.

Показано, що запропонований індикатор забезпечує істотне підвищення енергетичної ефективності виводу даних як у статичному, так і в динамічному режимі формування повідомлень, що значно збільшує економічність і апаратурну надійність оптоелектронної СВІ. При цьому значно підвищується рівень ергономічних характеристик шкального індикатора, оскільки забезпечується підвищення вибірковості сприйняття відліку та порога яскравості, яка сліпить, а також одночасно знижується критична частота злиття мигтінь, що вкрай важливо в складних експлуатаційних умовах, для яких розроблені ці інформаційні засоби.



Размещено на http://www.allbest.ru/

Оптимізація побудови пристроїв виводу даних та підвищення рівня їх технічних і ергономічних характеристик неможлива без спеціалізованої апаратури для контролю функціональних параметрів джерел випромінювання, що використовуються в оптоелектронних СВІ. Тому були вивчені питання, пов'язані з побудовою відповідних засобів вимірювання.

Розглянуто і проаналізовано принципи побудови вимірювальних пристроїв, які дозволяють визначити температуру перегріву активної області напівпровідникових випромінювачів для шкальних індикаторів. Запропонована та реалізована структурна схема на основі електрофізичного методу контролю теплових параметрів напівпровідників, що забезпечує підвищення точності виміру температури і спрощення процесу вимірів завдяки ускладненню алгоритму обробки сигналів і введенню додаткових блоків корекції в схему приладу.

Вивчено процес вимірювання енергетичних параметрів оптичного випромінювання елементів ІП індикатора і визначено набір неінформативних і дестабілізуючих факторів, що впливають на нього. Виділено систематичні і випадкові похибки, що виникають при таких вимірюваннях, і сформульовані функціональні принципи зниження впливу дестабілізуючих факторів, які дозволяють підвищити точність визначення функціональних параметрів елементів індикації. На базі цих досліджень запропоновано і реалізовано апаратурне рішення первинного вимірювального перетворювача для побудови засобів контролю параметрів оптичного випромінювання активних елементів ІП індикатора. Функціональний перетворювач світлового потоку в електричний струм створено на основі операційного підсилювача, у якого вихід підключений до інверсного входу, фотоприймач - між обома входами, а елементи, які визначають передавальну характеристику, включені між загальною шиною та прямим входом підсилювача, що забезпечує високу лінійність, стабільність параметрів і високий рівень завадостійкості завдяки компенсації нелінійностей у схемі, а також сигналів, породжених неінформативними та дестабілізуючими впливами.

Четвертий розділ містить результати вивчення логічної ІМ як основи побудови СВІ шкального типу та аналітичну базу для розробки апаратурних рішень, що застосовуються для виводу інформації в дискретно-аналоговій формі в статичному та ряді динамічних режимів для різних алфавітів відображення даних.

В результаті аналізу принципів побудови СВІ, які викладені в другому та третьому розділах, визначено, що процес створення шкальних засобів виводу інформації ґрунтується на дослідженні та узгодженні з поставленим завданням двох ключових елементів конструкції індикаторного пристрою. По-перше, обирається конкретний тип ІМ, за допомогою якої реалізується передача повідомлень оператору. По-друге, визначаються принципи реалізації ІП і побудови індикатора, де синтезується потрібна ІМ. Це формує концепцію побудови ШІП і дозволяє перейти від цілком формалізованої інтерпретації функціонування СВІ з погляду семіотики без урахування функціональних і апаратурних особливостей технічної реалізації системних рішень до реальних цифрових структур, що синтезують зображення на індикаторі. З'ясовано, що особливий практичний інтерес має створення та дослідження складних логічних ІМ, які забезпечують синтез візуальних образів у динамічному режимі за допомогою ЕОП, елементи яких з'єднані двовимірною матрицею.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Запропоновано, апробовано і застосовано для аналізу ІМ геометричну інтерпретацію формування візуальних образів на дискретно-аналоговому індикаторі. Показано, що така форма подання істотно спрощує одержання аналітичних описів, необхідних для побудови моделей функціонування апаратурних рішень оптоелектронних СВІ.

Використано геометричний підхід до адитивної ІМ, яка синтезується на шкалі з елементів, з'єднаних двовимірною матрицею, що представлено на рис. 3а. Усе ІП з елементів ЕОП зображено у вигляді прямокутника . Підмножина його елементів, які збуджуються для формування символу , являє собою шестикутник . Таке подання ІП використано для визначення можливої кількості варіантів двотактного формування зображень у заданій ІМ. В результаті пошук різновидів двотактного синтезу символів на двовимірній матриці елементів
зводиться до задачі комбінаторної геометрії про розбивку фігур на менші частини. оптоелектронний інформація візуальний повідомлення

Теоретично доказано, що плоский неопуклий шестикутник із взаємно перпендикулярними суміжними сторонами може бути розбитий на два прямокутники двома і тільки двома способами. У першому випадку шестикутник розбитий на два прямокутники і (рис. 3б), а в другому - на прямокутники та (рис. 3в)

З урахуванням цього факту проаналізовано адитивну ІМ і показано, що існує два і тільки два варіанти синтезу її візуальних образів при двотактному формуванні зображення на ЕОП, елементи якого електрично з'єднані двовимірною матрицею. Аналітично доведено, що два алгоритми відображення символів заданої моделі на ДАІ з матричним з'єднанням елементів утворюють повну групу і можуть бути реалізовані апаратурно.

В результаті теоретично підтверджено існування вже відомої логічної ІМ та віднайдено нову модель двотактного формування адитивних символів на ІП, яка є одним із варіантів узагальненої моделі. Нова логічна ІМ базується на об'єднанні до двох підмножин та , що не перетинаються, елементів ЕОП шляхом розбиття за молодшими розрядами матриці множини збуджених елементів , яка відповідає символу . Цей варіант ІМ, представлений на рис. 3в, описується за період збудження ДАІ , починаючи з часу , виразом

де - поточний час, - відкритий інтервал часу збудження підмножин елементів

ЕОП та . Для цієї моделі .

Вивчено багатотактне формування символів адитивної ІМ на ДАІ, елементи якого електрично з'єднані двовимірною матрицею . На цій основі побудовано і використано в математичних описах логічну модель синтезу символів дискретно-аналогового подання повідомлень шляхом сканування ЕОП як по старших розрядах матриці елементів

так і по молодших розрядах матриці елементів

де - пуста множина.

Також запропоновано і реалізовано множинні та матричні варіанти аналітичного опису збудження індикатора для створення фрагментів зображень символів алфавіту, що використовується.

Проаналізовано синтез зображень символів різних форм позиційного подання інформації на ЕОП з лінійним і матричним з'єднанням елементів. Отримано і представлено множинні, матричні та логіко-часові варіанти математичного опису збудження індикатора для формування візуальних образів символів ІМ як у статичному, так і в динамічному режимі. Показано, що позиційна модель із двох збуджених елементів ДАІ вирізняється поміж інших ІМ високою надійністю, простим синтезом візуальних символів і можливістю статичної реалізації відображення інформації при лінійній і динамічної - при матричній організації електричних зв'язків в ЕОП.

П'ятий розділ присвячено практичній реалізації оптоелектронних СВІ на індикаторах із матричним з'єднанням елементів.

Проаналізовані загальні принципи побудови апаратурних рішень оптоелектронних СВІ з дискретно-аналоговим поданням повідомлень, в яких використано ЕОП із внутрішньою електричною організацією у вигляді двовимірної матриці. Запропоновано аналітичний опис формування електричних сигналів і спеціальних кодів для синтезу зображення на ІП і показано, що основою оптимізації всіх технічних рішень схем керування ЕОП цієї групи пристроїв є мінімізація цифрових структур за рахунок створення ефективних алгоритмів обробки сигналів і підвищення енергетичної ефективності збудження індикаторних елементів.

На основі ІМ формування надійної позиційної індикації з двох збуджених елементів шкали проаналізована функціональна побудова її апаратурної реалізації. Для створення такої форми відображення даних запропоновано аналітичний опис відповідної цифрової структури і реалізовано мінімізоване технічне рішення, яке синтезує необхідне зображення на ІП. Схемотехнічно воно побудовано на основі двох дешифраторів вхідного коду та арифметичного суматора, на вхід одного із доданків якого підведена тактова послідовність у вигляді одиничної функції.

Розглянуто апаратурні принципи реалізації адитивного подання інформації на дискретно-аналоговому індикаторі, і на цій основі запропоновані й апробовані алгоритми і їх аналітичні описи, що вирішують задачу двотактного синтезу візуальних образів системних повідомлень на шкалі. Розроблено і реалізовано в ряді оптимізованих індикаторних пристроїв ефективні методи формування й обробки кодованих сигналів, що використовуються для створення зображень на ІП з матричною організацією взаємних електричних з'єднань елементів.

Проаналізовано методи й апаратурні рішення обробки сигналів, що використовуються при відображенні повідомлень у комбінованій формі з дискретно-аналоговою та цифровою компонентами. Показано переваги і недоліки цих складових ІМ з технічної й ергономічної точки зору. Визначено, що апаратурно формування повідомлень в цифровій формі значно простіше ніж у шкальній. Крім того, існує серійна елементна база, яка забезпечує ефективну побудову знакових СВІ. При цьому дискретність цифрових повідомлень при функціонально виправданих розмірах ІП значно вища, ніж у шкальних. Однак рівень ергономічних параметрів цифрового відліку в порівнянні зі шкальним є суттєво нижчим, що вкрай критично при обмеженому часі на сприйняття та розшифровку системних повідомлень. В результаті використання комбінованої ІМ дозволяє задовольнити суперечливі вимоги в багатофункціональних СВІ для складних експлуатаційних умов.

Запропоновано і апаратурно реалізовано ефективні алгоритми цифрової обробки даних для побудови СВІ з комбінованою ІМ, які відповідають перетворенню вхідного аналогового сигналу у візуальний і описуються виразом

...