Лабораторная работа №10

Обработка измерительного сигнала

В геодезических приборах и устройствах для управления процессом измерения в настоящее время обычно используют микропроцессоры с дополнительными периферийными устройствами для приема, обработки и хранения сигналов.

Они обеспечивают возможность хранения большого объема информации и большую гибкость при программировании. Цифровые сигналы менее чувствительны к помехам, чем аналоговые. Используя их можно принимать решения на основе заранее заданных критериев (программ).

Это относится в основном к регистрации и переработке сигнала, включающих управление, регулирование и контроль процессов записи и передачи измерительной информации.

Обработка измерительного сигнала может осуществляться либо в режиме «он-лайн», т. е. с прямым выходом сигнала на ЭВМ в реальном масштабе времени и его немедленной обработкой в ЭВМ, либо же с промежуточным запоминанием информации на соответствующем носителе и последующей ее расшифровкой (в режиме «оф-лайн»).

Если отдельные точки контроля измерительного процесса располагаются далеко одна от другой, то с применением распределенных процессоров (т. е. микро- и мини-ЭВМ непосредственно в составе приборов можно осуществить предварительную обработку сигналов.

При этом в ряде случаев удается значительно сократить количество ошибок в передаваемой информации и соответственно в выполнении геодезических работ.

Применение управляющих вычислительных машин оказывается целесообразным в том случае, когда поставленные задачи настолько обширны или сложны, что их нельзя решить с помощью одного или нескольких одноцелевых вычислительных устройств. Подключение дополнительных периферийных устройств или увеличение емкости памяти при соответствующим образом спроектированной системе обычно не представляет трудностей.

Вычислительные машины работают чисто последовательно, тогда как на одноцелевых вычислительных устройствах с неизменной схемной частью обычно может одновременно выполняться несколько операций.

Последовательный режим работы, однако, имеет и преимущество, поскольку при решении регулярно повторяющихся задач он позволяет применить подпрограммы, что равносильно сокращению затрат.

При использовании системы с управляющими ЭВМ особое внимание необходимо уделять обеспечению связи между ЭВМ и измерительными устройствами – интерфейсам. Интерфейсы должны быть совместимыми. Для пользователя возникают дополнительные проблемы в связи с необходимостью программирования, поскольку для этой цели требуется гораздо больше специальных знаний, чем при использовании одноцелевого вычислительного устройства. При решении сложных задач стоимость программно-математического обеспечения может даже составлять основную часть стоимости всей системы.

Информация, полученная при переработке сигналов, может быть снова использована для вмешательства в процесс. Это позволяет реализовать автоматизированные измерительные системы или же хранить информацию для последующих сопоставлений. Все это дает возможность регистрировать и перерабатывать большие объемы данных и допускать меньше ошибок.

1. ПОДГОТОВКА ИЗМЕРИТЕЛЬНОГО СИГНАЛА

Подготовка аналоговых сигналов к обработке на ЭВМ обычно осуществляется с помощью таких элементов, как входной усили­тель, фильтры, блок считывания, фиксирующее звено (выдержки)и аналого-цифровые преобразователи (рис. 1). В зависимости от постановки задачи некоторые из этих элементов могут оказаться ненужными.

Рис. 1. Блок-схема подготовки аналоговых сигналов для обработки на ЭВМ: 1— датчик: 2 — усилитель (преобразователь); 3— фильтр для подавления эффекта наложения; 4 — фиксирующее звено; 5- аналого-цифровой преобразователь

Разработаны и имеются модули подго­товки сигналов, в которых уже объединены все требу­емые функции. Однако встроенные в них фильт­ры обычно удовлетворяют лишь немногим требова­ниям, но зато блок под­готовки сигналов может быть собран и из отдель­ных конструктивных эле­ментов (модулей) с требу­емыми техническими ха­рактеристиками.

С целью снижения чувствительности к помехам желательно, чтобы измеряемые величины представлялись по возможности непосредственно в виде частотно-модулированных сигналов. Это позволяет также полностью использовать высокую разрешающую способность. Частотно-модулированные сигналы к тому же могут быть реализованы с меньшим дрейфом нуля, чем амплитудно-модулированные, и их можно сравнительно просто методом счета преобразовать в цифровую форму. Однако сигналы, подлежащие обработке, в большинстве слу­чаев поступают в аналоговой форме. Это обусловливает необходимость аналого-цифрового преобразования. Для этой цели сигнал считывается через некоторые промежутки времени % кратковременно запоминается и затем преобразовывается в цифровой сигнал (рис.2).

Рис. 2. Блок-схема и формы сигнала при аналого-цифровом преобразовании:

/ — фиксирующее звено; 2 — аналого-цифровой преобразователь

2. Передача сигналов

Аналоговые амплитудно-модулированные сигналы чувствительны к аддитивным помехам. Поэтому при передаче их на значительные расстояния необходимы особые меры предосторожности, например:

Ряс. 3. Данные на перфоленте с разрядом кон­троля по четности (РКЧ): 1 — контроль по четности 2 — контроль по нечетности; ВП — ведущая перфорация

токовый сигнал или частотная модуляция. На информацию в виде цифровых сигна­лов аддитивные помехи почти не влияют. Поэтому для обеспечения минимальной погрешности нужно либо устанавливать ЭВМ по возможности ближе к контролируемому процессу, либо передавать сигналы в цифровой форме. В последнем случае дополнительно возникает возможность проверить правильность данных в приемном устройстве при помощи одновременно передаваемой избыточной информации. Чтобы не слишком ограничивать пропускную способность передающих устройств и в связи с тем, что многократные искажения кодов встречаются очень редко, обычно ограничиваются выявлением одинарных искажений. Можно провести различие между кодами, выявляющими ошибки, и кодами, их корректирующими.

Для выявления искажений, которые наиболее наглядно видны на примере перфоленты, можно к каждому передаваемому коду добавлять один разряд для контроля четности (рис. 3). Этот разряд определяется с таким расчетом, чтобы сумма всех разрядов для изображения данного знака была бы либо всегда четной, либо всегда нечетной.

Контроль по четности позволяет выявить один (в общем случае некоторое нечетное количество) ошибочный разряд кода. Однако четное число одновременно появившихся ошибок таким способом не может быть обнаружено. Коды по исправлению ошибок содержат такое количество избыточной информации, что ошибки передачи могут быть не только выявлены, но и локализованы и исправлены. В дополнение к упомянутому поперечному контролю по четности может быть введен продольный контроль по четности на определенной длине блока записи данных. Это"позволяет исправить один отдельный ошибочный разряд внутри этого блока.

Ниже приведено наибольшее число разрядов цифрового кода Nmax» которое может быть исправлено при заданном числе кон­трольных разрядов при одиночных ошибках (при использовании поперечного контроля по четности:

Число контрольных разрядов	1	2	3	4	5
Nmax	0	1	4	11	20

Такие или аналогичные способы выявления и исправления ошибок могут быть применены и при передаче данных между отдельными вычислительными устройствами системы с ЭВМ.

3 Считывание

Аналоговый сигнал обычно считывается (дискретизируется) и фи­ксируется в каком-либо блоке памяти на время выполнения аналого-цифрового преобразования. Прямое преобразование ана­логового сигнала (без дискретизации) возможно и имеет смысл лишь в том случае, если скорость считывания намного выше наи­большей частоты, содержащейся в сигнале .

Ф

Рис. 4. Принципиальная схема фиксирующего эвена: ФЗ — фиксирующее звено (запомина­ющий конденсатор); АЦП — аналого-цифровой преобразователь

Рис. 5. Частотная характеристика фик­сирующего звена нулевого порядка: R_e — ось действительных чисел; 1т — ось мнимых чисел;  — интервал считывания (опроса)

иксирующее звено нулевого порядка, схема которого показана на рис.4, представляет собой память аналоговых значений, конденсатор которой может быть очень быстро заряжен до входного напряжения U_e.

Такое фиксирующее звено действует как фильтр нижних частот (рис.5 для аналогового сигнала. Однако ввиду малого ослабления амплитуды в диапазоне от   (2 + 1)  такое звено может лишь ограниченно заменить фильтр для по­давления эффекта наложения.

С учетом теоремы отсчета Шеннона интервал считывания  должен быть меньше продолжительности половины периода наи­более высокой частоты (_мах, содержащейся в сигнале, т. е. должно соблюдаться условие  < / _мах

Поскольку цифровой сигнал вследствие квантования по ам­плитудам даже в моменты считывания соответствует лишь округ­ленному результату измерений, на практике необходимо выдер­жать расстояние с запасом:

 < 0,5  0,1/ _мах.

Если ЭВМ включена в замкнутый регулирующий контур, то при выборе скорости считывания необходимо принимать во внима­ние также и условия устойчивости.