Цифро-аналоговая система для регистрации и статистической обработки информации

 

ОПИСАНИЕ

ИЗОБРЕТЕН ИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

Союз Советских

Сецнапнстнчесинх

Республнк

6 Об З 3/00

6 06 F 15/36

Геауйврствсеьй кемктат

СССР ю даяан кэоаретеянк и вткрьпмк

Опубликовано 23.08.81. Бкэллетень Ф 31 (53) УДК 681.325. .22 (088.8) Дата опубликования описания 23.08.81. (72) Авторы изобретения

В. И. Скурихин, Г. Т. Макаров, А. А. Урсатьев, В. Н. Никулин, В. М. Власенко, О. М. Куделко, А. И. Сувовов I . А. Тихонов и В. Г. Титов

"-,4., 1ч -,, а, / Ъ т 4, " ".=-КГ., .,„,, „""1 t !

Г- |т. /Т т, В т, (71) Заявитель (54) ЦИФРОАНАЛОГОВАЯ СИСТЕМА

ДЛЯ РЕГИСТРАЦИИ И СТАТИСТИЧЕСКОЙ

ОБРАБОТКИ ИНФОРМАЦИИ

Изобретение относится к вычислительной технике и может быть использовано в любой области, где требуется производить сбор и статистическую обработку данных, в частности, при автоматизации экспериментальных исследований.

Известно устройство для регистрации и статистическом обработки информации, содержащее преобразователь информации, подключенный выходом к оператгвному запоминающему устройству, цифровой вычислительный блок, связанный с оперативным запоминающим устройством и соединенный с ними блок управления, а также блок выходных устройств. Это устройство нредиазначено для регистрации различных физических величин при экспериментальных исследованиях и для их оследующей статистической обработки в арифметическом устройстве по жесткой программе (11.

Наиболее близкой к предлагаемому но технической сущности является система; содержа20 щая микропроцессор, связанный с оперативным упоминающим устройством и через аналогоцифровые преобразователи с датчиками входных величин, контролер и устройство вывода (2) . ,Панную систему можно перестраивать для различного типа датчиков, однако перестронка пе является оперативной. Регистрация только унифицированных входных сигналов, связанных с измеряемой величиной линейной зависимостью, сужает функциональные возможности и уменьшает эффективность использования системы.

Необходимость запоминания для последующего анализа всей входной информации, отсутствие ее разметки и привязки к условиям эксперимента снижают.быстродействи; системы и точность обработки данных. Быстродействие устройства.в неменьшей мере зависит также и от принятого способа обработки информации.

В известной системе информация обрабатывается только в цифровой форме.

Целью изобретения является повышение быстродействия, точности и увеличение гибкости структу-ры, Ноставленная цель достигается тем, что в систему, соде(1жащую.аналого-цифровоый преобразователь, выход которого соединен с вхо858023 дом оперативного запоминающего устройства, соединенного двухсторонниьщ связями с арифметико-.логическим устройством, управляющий вход оперативного запоминающего устройства соединен с первым выходом блока управления, введены аналоговый процессор, блок программной перестройки структуры, блок памяти апгоритмов, блок. памяти тарировочных характеристик, блок памяти управляющей информации,,таймер, примм входы аналогового процессора с первого по пятый подключены соответственно к первому выходу блока памяти тарировочных характеристик,:к первому и второму выходам блока программной перестройки структуры, к второму выходу бдока управления и к выходу блока памяти управляющей информации, информационные входы аналогового процессора являются информационными входами системы, выход аналогового процессора подключен к входу аналого-цифрового err преобразователя, выход которого, второй вы. ход блока памяти тарировочных характеристик и первый выход блока памяти алгоритмов соединены соответствеино с входами арифметикологического устройства, второй выход блока 25 памяти алгоритмов подключен к входу блока программной перестройки структуры, выходы блока памяти управляющей информации и таймера подключены соответственно к первому и второму входам блока управлении, третий и четвертый выходы которого соединены соответственно с управляющими входами блока программной перестройки структуры и арифметико-логического устройства, первый выход блока управления соединен с управлявшими входами аналого-цифрового преобразователя и блока вывода, вход которого соединен с выходом арифметико-логического устройства, а также тем, что аналоговый процессор содержит коммутатор, счетчик адреса„дешифраторы, мультиплексор, решающие усилители, информационные входы которых соединены соответственно с выходами мультиплексора, а управляющие входы подключекы соответственно к первому, второму и третьему входам процессора, выхо45 ды решающих; усилителей соединены соответственно с входами коммутатора, выход которого является выходом процессора, входы мультипдексора являктгся информационными входами нроцессора, входы счетчика адреса являются соответственно четвертым и пятым входами процессора, выход счетчика адреса подключен к входам первого и второго дешифраторов, выходы которых подключены соответственно к управляющим входам коммутатора н мультиплексора, а также тем, что блок программной перестройки структуры содержит регистры и коммутаторы, первые и вгорые выходы которых являются соответственно первым.4 и вторым выходами блока, входы коммутаторов соединены с выходами соответствующих регистров, первые входы регистров подключены к входу блока, управляющие входы регистров соединены с управляющим входом блока, а также тем, сто блок управления содержит генератор импульсов, регистры сдвига, группу элементов И, формирователи импульсов, выхо. ды которых соединены с первым, вторым, г третьим и четвертым выходами блока, первые входы злементов И группы соединены с первым входом блока, вторые входы подключены к второму входу блока, третьи входы соединены с выходами соответствующих регистров, сдвига, первые входы которых подключены к первому входу блока, а вторые входы соединены с выходом генератора импульсов, выходы элементов И подключены к входам соответствующих формирователей импульсов, а также тем, что блок памяти тарированных характерис тик выполнен в виде перепрограммируемого постоянного запоминающего устройства.

На фиг. 1 представлена блок-схема системы; на фиг. 2 — схема аналогового процессора; на фиг, 3 — схема блока программной перестройки структуры; на фиг. 4 — схема блока управления.

Схема включает аналоговый процессор l, аналого-цифровой преобразователь 2 (АЦП), блок 3 памяти тарировочных характеристик, блок 4 программной перестройки структуры, блок .5 памяти алгоритмов, блок б памяти управляющей информации, оперативное запоминающее устройство 7 (ОЗУ), арифметико-логическое устройство (АЛУ) 8, блок 9 управления, таймер 10, блок 11 вывода, цепи 1 2-22 связи, мультиплексор 23, решающие усилители

24, коммутатор 25, счетчик 26 адреса, дешифраторы 27 и 28, регистры 29, коммутаторы 30, генератор 31 импульсов, регистры 32.сдвига, группу элементов И 33, формирователи 34 импульсов.

Аналоговый процессор 1 (фиг. 2) осуществляет сопряжение устргчства с первичными измерительными преобразователями информации (цатчиками) и производит ее предварительную математическую обработку.

Решакпцие усилители обеспечивают необходимые преобразования сигналов за счет изменения параметров цепей их обратюих связей.

Блок 3 выполнен в виде нерепрограммируемого электрическим методом полупроводникового постоянного. запоминающего устройства, а блок 5 — в виде полупроводникового постоянного запоминающего yctpofrnsi, программируемого выжиганием.

Блок 6 иредставляет собой управляющую память, информащж из которой выдается s соотв;тствии с нажатыми клавишами пульта

858023

10

45

5 оператора. В качестве арифметико-логического устройства 8 может использоваться универсальный микропроцессор с микропрограммно или жестко управляемой обработкой информации.

Блок 9 управления (фиг. 4) предназначен для выработки сигналов временной диаграммы, требуемой для отработки набора команд устройства.

Блок ll включает в себя стандартные устройства отображения и выдачи инфор,1ации, к примеру, индикационное табло и цифропечать.

Работает система следующим образом.

Блоки 6 и 9 и таймер 10 обеспечивают задание и отработку программы измерений в эксперименте в реальном масштабе времени, а также выработку ряда служебных сигналов.

В частности, блок 6 позволяет выбрать число измеряемых каналов и частоту опроса датчиков, а также продолжительность съема данных, т.е. время реализации. Осуществляется это путем считывания информации с управляющей памяти блока 6 в соответствии с нажатием клавишами пульта оператора. Так, по этой информации, поступившей по связи 17 на вход аналогового процессора 1, производится одновременно подключение на вход системы группы датчиков, номера которых определяются кодом, установленным в счетчике 26 адреса, и логической функцией, реализуемой дешифратором 28. Временные характеристики программы измерений, задаваемой блоком 6, обрабатываются блоком 9 управления. Информация об изменении программы поступает в блок 9 по вязи 17.

Блок 6 позволяет также представить отрезок исследуемой характеристики рядом участков, в каждом из которых может быть задано требуемое число циклов измерений и дискретность их повторения, Это дает возможность исключить избыточность накапливаемой информации на участках с плавным изменением параметра, а с другой стороны — выделить один участок на измеряемой характеристике .и исследовать его с повышенной дискретностью повторения съема данных. Привязка контролируемых переменных к текущему времени с целъю получения полной картины их изменения и, тем самым, повышения точности обработки экспериментальных данных обеспечивается таймером

10. Последний используется в системе для задания и измерения временных интервалов и может быть выполнен в виде счетчика реального времени, работающего от кварцевого генератора.

В зависимости от выработанных режимов работы системы информация, поступающая с объекта исследования, может непосредственно, тябо после предварительной обработки посту6 пать на блок 11 для регистрации и последующего анализа, использоваться для экспрессанализа в реальном времени и отображения в удобной для восприятия форме на цифровом десятичном табло блока 11 с целью оперативного контроля состояния объекта и, наконец, подвергаться статистической обработке. Последняя включает построение функции распределения случайных величин, вычисление таких статистических характеристик распределения, как математическое ожидание, дисперсия, стандартное отклонение, размах, коэффициент вариации и др., а также осуществляет линейное оценивание параметров статистической модели. Предварительная обработка экспериментальных данных включает расшифровку сигналов датчиков, их масштабирование, тарировку, вычисление по исходным параметрам неизмеряемых параметров и формирование массивов данных.

В результате этого системой помимо статистической обработки данных производится концентрация исходной информации, что способствует ее передаче на другие вычислительньre центры в случае. если настоящая система используется на борту объекта исследования (подвижном объекте).

Требуемый режим съема и регистрации данных, алгоритм их обработки обеспечиваются совокупностью блоков 3 — 6. При этом блок 4 программной перестройки структуры и блок 5 памяти алгоритмов производят перестройку конфигурации системы программным путем применительно к алгоритмам и типам выполняемых задач. Достигается это выбором отдельных функциональных элементов или их групп иэ числа узлов (блоков) цифровых и аналоговых блоков системы и установлением между ними требуемых связей. Так, блок 4 программной перестройки структуры по информации, занесенной по связи 16 с блока 5 памяти алгоритмов, управляет решающими усилителями 24, которые выполнены на линейных. интегральных схемах. С помощью различных цепей обратной связи решающих усилителей, изменяемых посредством элементов коммутации и управления, легко получать разнообразные передаточные функции, соответствующие различным математическим операциям: суммированию, интегрированию, умножению на постоянный коэффициент и др. При соответствующей нелинейной обратной связи решавшие усилители 24 дают воэможность производить нелинейные преобразования сигнала, что соответствует нелинейным математическим операциям. Блок 4 программной перестроики структуры подключает или отключает цепь обработки аналоговых сигналов к отдельным узлам аналогового процессора 1, изменяет тип обратной связи решающих усили телей и ее величину, а также режим их рабо85802

7 ты (к примеру, задание начальных условий, интегрирование, хранение информации и др.).

Запись кода, соответствующего требуемой конфигурации системы и режиму ее работы, в ре. гистфы 29 блока 4 производится по сигналу от блока 9 управления.

После того, как сигналы с мультиплексора

2З от группы датчиков нормализуются (непрерывные сигналы подвергаются ряду нреобразований, вызванных необходимостью их Филь- О трации, сглаживания, приведения к стандартно; му уровню и дд.) и пройдут Определенную математическую обработку s пnрpо0цneесeсeоnрpе e 11, они поступают на коммутатор 25. Последний обес.печивает подключение на вход АЦП 2 одного из выходов усилителей 24. Управление комМутатором 25 муществляется счетчиком 26 адреса и дешифратором.27. С выхода АЦП 2 дискретные сигналы, в зависимости от принято"o режима регистрации и обработки экспериментальных данных, поступают в оператн6ное запоминающее устройство 7 или непосредственно. в АЛУ 8.

Обработка поступающих на вход системы сигналов в соответствии с тарировочными характеристиками датчиков также производится в цифровой и аналоговой форме. При этом взаимодействие процессора 1 и блока 3 выражается в том, что по командам, поступающим с блока. 3 на элементы управления и коммута- що ции решаяицих усилителей 24, осуществляется изменение наклона градуировочных кривых и смещение нулевого уровня первичных измерительных преобразователей. Дальнейшая Обработка проводится цифровыми блоками системы по данным, поступающим иа вход АЛУ 8 с

ABH 2 и блока 3 памяти тарировочных характеристик, В случае подключения к системе частотных датчиков осуществляется измерение периода колебаний частотно-модулированного снг- 0 нала и производится его.перевод s цифровую форму по тарировочной характеристике. Требуемое для этого. формирование временных интервалов осуществляется таймером 1О.

Сочетание цифровой и аналоговой формы представления и обработки информации способствует повышешю эффективности вычислительных процессов, позволяет более полно удовлетворить требования высокого быстродеиствия и точности, обеспечивает гибкость структуры .системы и упрощает програмьшрованне решаемых задач. При этом также сйижаются аппа- . датудиые затраты, что нриводит к увеличейию надежности н уменьшению габаритов, веса и стоимости. С другой стороны, наличие в системе блока 5 памяти алгоритмов позволяет испольэовать оперативное запоминающее устройство 7 только для хранения текущей информэ ции и часто изменяемых пользователем констант. Этим достигается уменьшение объема оперативного запоминающего устройства 7.

Кроме того, использование жесткого программирования обеспечивает высокую готовность системы к работе н упрощает ее обслуживание.

Структура рассмотренной системы по сравнению с известными системами и устройствами такого же рода дает следункцие преимущества: а) возможность подключения системы к датчикам любого типа и с любым уровнем выходных сигналов вне зависимости от их тарировочных характеристик; б) вьгсоку гибкость структуры системы, обеспечиваемую перестройкой ее конфигурации программным путем применительно. к алгоритмам и типам выполняемых задач, в} высокое быстродействие и точность обработки информации, достигаемые за счет выполнения системы по цнфро-аналоговой струк- . туре, а также вследствие управления режимамн съема данных, разметки и концентрации исходной информации.

Кроме того, сочетание цифровых и аналогоВых нриншшов ббДаботки иифОДмации Обеспечивает простоту ее сопряжения с объектом и высокую эффективность вычислительных процессов при обработке и интерпретации в реальном масштабе времени сигналов из внешней среды.

Структура системы способствует также значительному упрощению математической и технической эксплуатации, так .как отпадает необходимость в устройствах ввода программ и в умении пользователя программировать задачи.

В результате, помимо предоставления удобств пользователю в общении с системой, повышается также надежность и допускается эксплуатация., за исключением профилактических работ, без специального Обслуживающего персонала.

Вса зти достоиисгва системы предопределяют преимущественную.область его пдимеиения— автоматизация эксйеримантаньных исследований, проводимых нди натурных испытаниях объектов (бортовые системы) и в условиях цехового производства, где такие факторы. как небольшие:.габариты, вес, малая потребляемая мощность, простота обслуживания и высокая надежность приобретают первостененную доль.

Формула изобретенйя

1. Цифроаналоговая система для регистрации и статистическОЙ обработки информации, 9 8 содержащая аналого-цифровой преобразователь, 58023 10 первому, второму и третьему входам процес5

1О

25 за

35 выход которого соединен с входом оперативного запоминающего устройства, соединенного. двухсторонними связями с арифметико-логическим устройством, управляющий вход оперативного запоминающего устройства соединен с первым выходом, блоха управления, о т л ич а ю щ а я сятем,,что, с целью. повышения быстродействия, точности и увеличения .гибкости структуры, в нее введены аналоговый процессор, блок программной перестройки структуры, блок памяти алгоритмов, блок памяти тарировочных характеристик, блок памяти управляющей информации и таймер, причем входы аналогового процессора с первого по пятый подключены соответственно к первому выходу блока памяти тарировочных характеристик, к первому и второму выходам блока программной перестройки структуры, к второму выходу блока управления и к выходу блока памяти управляющей информации, информационные входы аналогового процессора являюгся ннформацион входами систейы, выход аналогового процессора подключен к входу аналого-цифрового преобразователя, выход которого, второй. выход блока памяти тарировочиых характеристик и первый выход блока памяти алгоритмов соединены соответственно с входами арифметико-логического устройства; второй выход блока памяти алгоритмов подхлючен к входу блока программной нерестройки-структуры, выходы блока памяти управляющей информации и таймера подключены .соответственно к первому и второму. входам блока управлении, третий, и четвертый выходы которого соединены соответственно с управляющими входами: блока программкой перестройки структуры и арифметико-логического устройства, первый выход блока управления соединен с управляющими входами аналого-цифрового преобразователя . и блока вывода, вход которого соединен с выходами арифметика-логического устройства.

2. Система по п. 1, о т л и ч а ю щ а я с а тем, что аналоговый процессор содержит коммутатор, счетчйх адреса, дешифраторы, муль-, типлексор и решающие усилители, информационные входы которых соединены соответственно с выходами мультиплексора, а управмющие входы подключены соответственно к сора, выходы решающих усилителей соединены соответственно с входами коммутатора, выход которого является выходом процессора, входы мультиплексора являются информационными входами процессора, входы счетчика адреса являются соответственно четвертым и пятым входами процессора, выход счетчика адреса подключен к входам первого и второго дешифраторов, выходы которых подключены соответственно к управляющим входам коммутатора и мультиплексора.

3. Системз по п. 1, о т л и ч а ю щ ая с я тем, что блок программной перестройки структуры содержит регистры и кому..торы, первые и вторые выходы которых являются соотВетственно перв. w и вторым вы. ходами блока, входы коммутаторов соединены с выходами соответствующих регистров, первые входы регистров подключены к входу блока, управляющие входы регистров соединены с управляющим входом блока.

4. Системз но п. 1, отличающаяся тем, что блок управления содержит генератор импульсов, регистры сдвига, группу элементов

И, формирователи импульсов, выходы которых соединенЫ с первым, вторым, третьим и четвер. тым. выходами блока, первые входы элементов И группы соединены с первым входом блока, втарью входы подключены к второму входу блока, третьи входы соединены с выходами соответствующих регистров сдвига, первые входы которых подкяочены к первому входу блока; а вторые входы соединены с выходом генератора импульсов, выходы элементов И подключены к входам соответствующих формирователей импульсов.

5. Система ло н. 1, î т л и ч а ю щ а я с я тем, что блок памяти тарировочиых характерисшк выполне в виде перепрограммируемого постоянного запоминающего устройства

Источники информации, принятые во внимание при экспертизе

1. Авторское свидетельство СССР И 515114, кл. 6 Об F 15/36, 1974. 2. Хеттон Р. Расширение функциональных возможностей цифрового мульшметра при использовании mricponpoqeccopa. — "Электроника". Перевод с англ., 1976, И 19, с. 35 (прототип).