Система сбора и обработки информации

Размещено на http://www.allbest.ru/

Введение

Бурное развитие науки и промышленности, неудержимый рост объемов поступающей информации привели к тому, что человек оказался не в состоянии воспринять и перерабатывать все, ему предназначенное. Широкая автоматизация практически всех отраслей привела к коренной перестройке измерительной техники: в ее задачу наряду с измерением входит информационное обслуживание исследуемого объекта, которое включает автоматический сбор, представление, доставку, отображение, обработку и анализ информации. Поэтому основой современной измерительной техники является не отдельный измерительный прибор, а информационно-измерительная система (ИИС), которая и решает поставленную задачу.

Проектированием таких систем занимаются во многих организациях, однако необходимые для этого теория и методы инженерного расчета ИИС еще далеки от завершения.

Важной задачей при построении ИИС является построение системы сбора информации. При этом есть необходимость использования разнообразных преобразователей одного вида информации в другие.

Задача также осложняется большим количеством несущественной информации, поэтому появляется необходимость преобразования измерительного сообщения в представление с адаптацией, что делает его минимальным по объему. За это отвечают системы сжатия данных.

Так как в реальных каналах линий связи информация передается с помехами, то эффективным средством повышения достоверности передачи сообщений является построение системы кодирования. В зависимости от того, с каким качеством должна передаваться информация, используются следующие основные помехоустойчивые коды: корректирующий, обнаруживающий и исправляющий.

При этом система сбора и обработки информации должна быть достаточно точной и обладать высоким быстродействием. Все элементы системы должны быть унифицированы и легко заменены в процессе эксплуатации.

Адаптивные системы сбора и передачи информации

Классификация систем

Информационные системы можно классифицировать по различным признакам /1/. В свою очередь каждая система в различные моменты времени, при различных условиях может быть отнесена к нескольким видам одновременно.

Ниже приведена классификация по 6 различным признакам:

стационарные и нестационарные;

открытые и закрытые;

стабильные и нестабильные;

адаптивные и неадаптивные;

постоянные и временные;

естественные и искусственные.

Стационарными называются системы, характеристики которых не изменяются в течение определенного промежутка времени. Стационарным можно считать практически любой процесс (в определенный промежуток времени).

Открытыми считаются системы, взаимодействующие с окружающей средой (живые организмы, технические системы).

Стабильными называются системы, функции и свойства которых существенно не изменяются или изменяются в форме постоянно повторяющихся циклов под воздействием некоторых внешних факторов.

Системы, способные приспосабливаться к внешней среде называются адаптивными.

Постоянными считаются системы, время жизни которых больше времени жизни человека, либо времени измерения.

Искусственными называются системы, возникшие в результате действий человека /2/.

Информационно-измерительные системы

На современном этапе развития науки и техники к ИИС предъявляются все более жесткие требования. Это связано с увеличением числа источников информации и многообразием задач, которые ставятся при испытаниях и исследованиях различных физических объектов и процессов. Поэтому современные системы сбора и передачи информации должны обладать высокой информативностью и информационной гибкостью, что позволяет осуществить программный опрос источников информации и обеспечить возможность изменения частоты опроса и точности измерений по различным каналам.

Системы с наиболее высоким уровнем информационной гибкости называются адаптивными /1/.

Такие системы способны перестраивать процесс измерений в соответствии с изменением состояния контролируемого объекта, уменьшать избыточность информации и в зависимости от состояния канала связи регулировать скорость передачи информации для обеспечения данного уровня достоверности.

В адаптивных системах сбора и передачи информации необходимо обеспечить адресное разделение каналов. Для передачи информации по каждому каналу отводится отдельный временной интервал. Кроме того, каждый источник информации содержит помимо информационной части еще и адресную часть, в которой закодирована информация о номере источника информации.

При построении модели удобно выделять в системе устройства (подсистемы), выполняющие определенные самостоятельные функции и допускающие автономное использование (при изготовлении различных по назначению систем с использованием одних и тех же устройств).

На рисунке 1 приведена модель ИИС, осуществляющая функции представления, сбора, передачи и частично обработки сообщений.



Рисунок 1 - Модель ИИС

На вход системы поступает в общем случае аналоговый электрический сигнал (t), сформированный датчиком и первичным масштабирующим преобразователем и называемый далее сообщением. Сообщение (t) рассматривается как реализация случайного процесса (t), объединяющего множество сообщений с выхода данного датчика во всех возможных экспериментах.

Цепь преобразования сообщений одного датчика в многоканальной системе образует измерительный канал.

В цифровой системе каждое сообщение дискретизируется по времени (ВРК), затем каждое дискретное значение, называемое координатой сообщения, квантуется по уровню и кодируется. Последовательности координат от различных измерительных каналов объединяются в общий поток - группируются для последующей передачи. В ряде случаев могут применяться устройства сжатия данных, вычисляющие различные конечные результаты, требуемые адресатом. Последовательность расположения устройств в различных системах может быть различная, функции нескольких устройств могут совмещаться. Соответствующие перечисленным преобразованиям устройства объединены на рисунке 1.1. в подсистему представления сигнала.

Восстановление исходного аналогового сообщения с допустимой погрешностью по кодированным координатам выполняется на приемной стороне. В реальных системах восстановление непрерывного сообщения может не производиться, поскольку хранение, регистрация и обработка информации в настоящее время рассчитаны на цифровое представление, но возможность такового представления подразумевается и должна быть гарантирована. Гарантируемая погрешность восстановления является основным метрологическим показателем качества системы.

Подсистема передачи включает кодер и декодер канала связи, передающее и приемное устройства и канал связи (среда, в которой распространяется высокочастотный сигнал-переносчик, вместе с антенными устройствами). Кодер и декодер осуществляют помехоустойчивое кодирование и декодирование с целью дополнительной защиты передаваемых сообщений от помех в канале связи и могут отсутствовать, если погрешность подсистемы передачи удовлетворяет заданным требованиям.

Далее приведен обзор конкретных устройств, которые разрабатываются в ходе проектирования данной системы.

Методы сжатия данных

Показатели качества алгоритмов сжатия данных

Существует много алгоритмов сжатия данных. Ниже приведены их количественные показатели качества:

1)коэффициент сжатия;

2)показатели сложности;

3)среднее или максимальное время задержки при восстановлении сообщения;

4)показатель помехоустойчивости.

Коэффициентом сжатия называется отношение объемов сообщения до и после сжатия при выбранном методе и заданной допустимой погрешности представления:

.(1)

В качестве показателей сложности алгоритмов целесообразно использовать по крайней мере два:

среднее число вычисленных операций, нормированное на одну координату сообщения, поступающего на вход устройства сжатия; этот показатель определяет требуемое быстродействие устройства;

объем L памяти оперативного запоминающего устройства (ОЗУ), необходимых для хранения накопленных выборок и промежуточных результатов.

Время задержки при восстановлении сообщения определяется как интервал между моментом поступления выборки на вход устройства и моментом возможного восстановления ее значения на приемной стороне определяется по формуле (2).

,(2)

где - время анализа выборки на ее существенность; - время накопления существенных выборок на приемной стороне необходимых для восстановления сообщения.

Показатель помехоустойчивости алгоритма можно определить как коэффициент фильтрации помех, искажающих значение передаваемых существенных координат. /5/

Алгоритмы сжатия данных с однопараметрической адаптацией

Наибольшее распространение получил алгоритм сжатия с однопараметрической адаптацией по длине интервала представления при фиксированной степени полинома.

Этот алгоритм обеспечивает автоматическое разбиение всего времени на интервалы, длина каждого из которых определяется на основе анализа текущего сообщения исходя из условий представления сообщения полиномом заданной степени с заданной допустимой погрешностью. При этом левая граница очередного интервала фиксируется на правой границе предыдущего, а правая продвигается по мере поступления выборок сообщения до тех пор, пока обеспечивается допустимая погрешность приближения. Качество алгоритмов рассматриваемого типа при заданной степени восстанавливающего полинома в основном определяется способом построения полинома в процедуре проверки существенности выборок. Поэтому алгоритмы можно разделить на три группы:

экстраполяционные;

интерполяционные;

совмещающие экстраполяцию и интерполяцию. /5/

Алгоритм линейной экстраполяции

В экстраполяционных алгоритмах по первым выборкам вычисляются коэффициенты интерполяционного полинома Лагранжа и затем осуществляется последовательная экстраполяция полинома на каждую очередную выборку. Для этого при найденных коэффициентах вычисляется значение полинома на момент поступления очередной ожидаемой выборки, а разность между вычисленным и фактическим значениями сравнивается с максимальной допустимой погрешностью.

На передающей стороне:

1)Пусть в момент поступает выборка .

2) запоминается в ОЗУ и передается в линию связи.

3)Пусть в момент поступает выборка .

4) передается в линию связи и запоминается.

5)Вычисляется разделенная разность первого порядка:

.(3)

6) запоминается стирая .

7)Пусть в момент поступает выборка .

8)Вычислим в точке значение экстраполирующего полинома

:

.(4)

9)Вычисляется текущая погрешность экстраполяции в точке :

.(5)

10)Сравниваем текущую погрешность с допустимой .

11)Если , то выборка стирается как избыточная и в линию связи не передается.

12)Пусть в момент поступает выборка .

13)Вычисляется .

14)Вычисляется .

15)Сравниваем и .

16)Если , то выборка стирается как избыточная и в линию связи не передается, и т.д.

17)Пусть в момент поступает выборка , для которой ; тогда переходим к пп. 18, 19.

18) передается в линию связи и запоминается.

19)Интервал экстраполяции обрывается и принимается равным величине .

Новый интервал начинается с точки , в которую переносится условное начало отсчета времени.

Новая экстраполирующая прямая проводится через ординаты и , первая из которых вычисляется заново (такой выбор ординат обеспечивает “сшивание” экстраполирующих прямых на границе соседних интервалов). Далее процесс выбора интервала экстраполяции повторяется.

На приемной стороне: по полученным двум выборкам и строится экстраполирующая прямая , которая продолжается до момента . При поступлении строится новая экстраполирующая прямая через ординаты и .

Восстановление измерительного сообщения на приемной стороне происходит в реальном масштабе времени, без задержки. /5/

Анализ технического задания

Согласно техническому заданию необходимо реализовать систему сбора и обработки информации. Система принимает данные с шести аналоговых, десяти цифровых десятиразрядных и тридцати двух двоичных датчиков. Погрешность преобразования 0,04%. Используется экстраполяционный алгоритм сжатия второго порядка. Передача осуществляется в одном цифровом канале, зашумленном белым гауссовым шумом с отношением “сигнал - шум” (ОСШ) равным 20dB. Достичь вероятности ошибочного приема информации не более .

Наиболее существенными пунктами являются: Тип устройства сбора, параметры передачи, метод сжатия и вероятность ошибочного приема информации. Необходимо разработать схему адресного коммутатора, позволяющего произвести циклический опрос датчиков.

Аналоговые датчики предполагают использование АЦП. Возможно два варианта коммутации сигналов с аналоговых датчиков: до преобразования и после. Реализация первого варианта осуществляется с меньшими аппаратными затратами, второй вариант обеспечивает более высокую точность и быстродействие. Для данного проекта выбирается второй вариант, для увеличения быстродействия устройства.

По заданному алгоритму разработать блок сжатия данных.

Низкое отношение сигнал шум предполагает использование одного из корректирующих кодов, следовательно, необходимо разработать блок кодирования сигнала, обеспечивающий заданную помехозащищенность.

Расчет разрядности аналогово-цифрового преобразователя

Аналогово-цифровой преобразователь (АЦП) - электронное устройство, обеспечивающее преобразование аналогового сигнала в последовательность цифровых кодов. АЦП используются для ввода аналоговой информации в цифровые ИС или цифровое управляющее устройство. Разрядность АЦП для данного проекта рассчитывается по формуле:

(6)

Расчет коэффициентов интерполирующего полинома

Интерполяционный полином второго порядка задается в виде:

,(7)

где a, b, c - неизвестные коэффициенты интерполяционного полинома.

Для вычисления коэффициентов интерполяционного полинома составляется система уравнений:

(8)

и учитывается, что .

При решении системы (9) коэффициенты равны:

(9)

Определение коэффициентов кодирующего блока

Так как передача осуществляется в одном цифровом канале, зашумленном белым гауссовым шумом с ОСШ равным 20dB, необходимо ОСШ перевести из [dB] в безразмерную величину.

Для этого необходимо сделать расчет по формуле (2.3.1).

Так как , следовательно . От куда следует, что:

(10)

Если значения непрерывного сообщения распределены по Гауссовскому закону, то между отношением сигнал/шум (равное с) вероятностью ошибочного приема одного символа (Pош) и числом уровней квантования (Lкк) существует такая зависимость:

(11)

Из этой формулы следует, что вероятность искажения одного символа приближенно равна:

(12)

В зависимости от типа канала связи характер ошибок тоже оказывается различным.

Наиболее вероятными считаются одиночные ошибки. С увеличением кратности ошибок вероятность их появления резко падает.

Вероятность правильного приема блоков из n символов:

(13)

Так как вероятности ошибочного приема информации не должны превышать , целесообразно использовать циклический код для обнаружения ошибок.

Вероятность того, что в передаваемой комбинации из n символов в результате действия помех исказиться m символов, можно определить формулой Бернулли (14):

информация передача преобразователь полином

,(14)

где - число сочетаний из n по r:

(15)

Учитывая, что погрешности вычислений очень малы, формулу (16) можно упростить:

(16)

По формуле (16) рассчитаются вероятности искажений символов (таблица 1).

Таблица 1 - Вероятности искажения символов

n/r	4	5	6	7
7	1,661E-19	8,27185E-25	2,28856E-30	2,71361E-36
15	6,47747E-18	1,1828E-22	1,63621E-27	1,74609E-32
31	1,49294E-16	6,69142E-21	2,4067E-25	7,13421E-30
63	2,82554E-15	2,76736E-19	2,22036E-23	1,50066E-27

1)Выбор длины слова. При кодировании по методу БЧХ нельзя выбирать произвольную длину слова n. Первым ограничением является то, что слово может иметь только нечетное число символов. Однако даже при этом не все нечетные числа могут составлять длину слова. Требуемая вероятность ошибочного приема информации достигается при n=31 и r=6. По заданному n находят такое число h, чтобы удовлетворялось равенство 2h-1=n:

2h-1=31; h=5.

2)Так как код только обнаруживает ошибки, то кодовое расстояния находим по формуле:

d=r+1(17)

d=6+1=7.

Параметры циклических кодов БЧХ были рассчитаны для кодов, в которых обнаруживаются и исправляются ошибки, следовательно, необходимо знать количество исправляемых ошибок , для определения образующего многочлена.

3)Определение числа минимальных многочленов L=s: L=3.

4)Определение старшей степени l минимального многочлена. l=h=5.

5)Образующий многочлен можно определить двумя способами:

5.1) Определение образующего многочлена P(X), который есть наименьшее общее кратное так называемых минимальных многочленов M(X) до порядка 2s-1 включительно, причем образующий многочлен составляется из произведения некоторого числа нечетных минимальных многочленов:

G(X)=НОК[M1(X)M2(X)M3(X)…M2s-1(X)](18)

Выбираются минимальные многочлены из таблицы 2

Перемножаем эти многочлены:

Рисунок 2 - Получение образующего многочлена G(X)

5.2) Определение образующего многочлена P(X) возможно с помощью таблицы 2.3.2. Образующий полином кода БЧХ с параметрами n=31, s=3 в цифровом и двоичном видах выглядит следующим образом:

P=->

6)Определение числа контрольных символов m, равных степени образующего многочлена:

m=15.

7)Определение числа информационных символов k=n-m:

k=31-15=16.

Таблица 2 - Параметры циклических кодов БЧХ

n	K	s	Образующий многочлен
7	4	1	13
15	11	1	23
	7	2	721
	5	3	2467
31	26	1	45
	21	2	3551
	16	3	107657
	11	5	5423325
	6	7	3133650047
63	57	1	103
	51	2	12471
	45	3	1701317
	39	4	166623567
	36	5	1033500423

Таблица 3 - Минимальные многочлены циклических кодов

Номер М(Х)	Минимальные многочлены различных степеней, записанных в виде кодовых комбинаций
	2	3	4	5	6	7
М1(Х)	111	1011	10011	100101	1000011	10001001
М3(Х)		1101	11111	111101	1010111	10001111
М5(Х)			111	110111	1100111	10011101
М7(Х)			11001	101111	1101	11110111
М9(Х)				110111	1101101	10111111

Разработка структурной схемы

Прежде чем приступить к разработке функциональной схемы, разрабатывается структурная схема устройства. Это позволяет определить основные блоки и узлы, информационные и логические связи между ними.

Все функциональные части устройства на схеме изображаются в виде прямоугольников произвольных размеров, внутри которых проводится цифробуквенное обозначение соответствующего блока.

Общая структурная схема приведена на рисунке 3.

Рисунок 3 - Общая структурная схема устройства сбора и обработки информации

На схеме приняты следующие обозначения:

БД - блок датчиков

БАД - блок аналоговых датчиков

БЦД - блок цифровых датчиков

БДД - блок двоичных датчиков

АЦП - аналогово-цифровой преобразователь

БК - блок коммутации

БСД - блок сжатия данных

БКД - блок кодирования данных

БФК - блок формирования кадра

БУ - блок управления

Блок датчиков является источником информации для разрабатываемого устройства. Он состоит из трех частей: блок аналоговый датчиков, блок цифровых датчиков, блок двоичных датчиков.

Сигнал с блока аналоговых датчиков поступает на АЦП, где он оцифровывается и переводится в 12-разрядный двоичный код.

Цифровые датчики в нашей системе являются 10-разрядными. Для преобразования из 10-разрядных в 12-разрядные датчики 2 старших разряда заполняются нулями.

Количество двоичных датчиков в нашей системе 32. Для организации 12-разрядного кода эти датчики разделяются на 2 блока по 12 и 1 блок по 8 штук соответственно. В последнем блоке 4 старших разряда заполняются нулями (аналогично с цифровыми датчиками).

Далее с блока датчиков сигнал идет на блоки сжатия данных - для каждого датчика устанавливается свой БСД, иначе если БСД будет установлен после блока коммутации, то он будет сжимать неверную информацию.

В блоке сжатия данных реализован экстраполяционный алгоритм сжатия информации 2-ого порядка.

После сжатия информация поступает на блок коммутации. Коммутатор осуществляет поочередное подключение линий обработки данных к кодирующему устройству. Каждый канал коммутатора имеет 5-разрядный адрес, который затем будет передаваться вместе с пакетом закодированных данных.

После коммутации информация попадает в блок кодирования. В этом блоке информация подвергается переводу из параллельного кода в последовательный код. В блоке кодирования данных используется преобразование двоичного кода в циклический код - код БЧХ. В первый этап работы информация проходит напрямую в блок формирования кадра и одновременно происходит кодирование, затем на БФК подаются контрольные символы, которые были вычислены в предыдущем этапе.

На выходе из блока кодирования формируется кадр. Кадр должен содержать: саму информацию, контрольные символы (для проверки корректности передачи информации) и адрес датчика, с которого была снята эта информация (для облегчения дальнейшей дешифровки и маршрутизации).

Функциональная схема устройства сбора и обработки информации более подробно описывает работу устройства.

Разработка функциональной схемы

Функциональная схема устройства сбора и обработки информации представлена на листе КП.070700400.00.00.00 Э2, а временные диаграммы представлены на листе КП.070700400.00.00.00 ВД.

Функциональная схема устройства сбора и передачи информации строится на основе: АЦП, коммутаторов, счетчиков, дешифраторов, логических элементов «И», «ИЛИ», «Исключающее ИЛИ»; компараторов, умножителей, делителей частоты, генераторов, JK- и D-триггеров, сумматоров и вычитателей, ждущих мультивибраторов, регистров сдвига, элементов задержки.

Блок датчиков

Сигнал с блока аналоговых датчиков поступает на АЦП, где он оцифровывается и переводится в 12-разрядный двоичный код. Цифровые датчики в нашей системе являются 10-разрядными. Для преобразования из 10-разрядных в 12-разрядные датчики 2 старших разряда заполняются нулями.

Количество двоичных датчиков в нашей системе 32. Для организации 12-разрядного кода эти датчики разделяются на 2 блока по 12 и 1 блок по 8 штук соответственно. В меньшем блоке 4 старших разряда заполняются нулями (аналогично с цифровыми датчиками).

Элементы, входящие в состав блока датчиков: аналоговые датчики (A1-A6), цифровые датчики (D1-D10), двоичные датчики (B1, B2,B3), аналого-цифровые преобразователи (^/#1-^/#6).

Блок сжатия данных

С блока датчиков данные подаются на блоки сжатия данных, в которых используется алгоритм экстраполяции второго порядка.

Входные линии: данные с датчиков и тактовая частота fN, где N - номер датчика.

Выходные линии: сжатые данные и признак существенного отсчета SO.

Контролирует работу блока элементы: логические И(&1, &2, &3, &6, &7, &8), логические ИЛИ (11, 12), коммутатор MUX1, JK-триггер T16, D-триггер T17, счетчик CT1, компаратор CMP1, дешифратор DC1, элемент задержки DL1 и 2 элемента 2И-ИЛИ.

Триггер T16 хранит состояние заполненности регистров RG1, RG2 и RG3. При 1 на выходе триггера счетчик CT1 установлен в 0 и не принимает тактовые импульсы, идет заполнение регистров RG5 и RG4. При 0 на выходе триггера регистры RG5 и RG4 не заполняются, а тактовые сигналы попадают на счетчик CT1, значения, на выходе которого попадают на дешифратор DC1; и на выход БСД в виде признака существенного отчета SO1. Триггер сбрасывается в 0 при появлении сигнала A с компаратора CMP1, а при заполнении RG3 через такт устанавливается в 1(задержка на такт реализуется с помощью элемента задержки DL1). Инвертирующий режим триггера используется, чтобы установить его в 1 при значении сигнала A=1 с компаратора CMP1 и заполненном состоянии регистров RG1-RG3.

Триггер T17 служит для того, чтобы при первом заполнении RG1 значение бралось с входа БСД, а при последующем - с регистра RG4(сигнал с триггера попадает на управляющий вход коммутатора MUX1). Триггер T17 устанавливается в 1 в момент первого заполнения RG3 и остается в этом положении до конца работы устройства. Также сигнал с этого триггера попадает на элементы ИЛИ-И, чтобы реализовать одновременное заполнение регистров RG1 и RG2 при последующих заполнениях регистров.

Остальные элементы: регистры RG1-RG5, умножители MUL1-MUL8,сумматоры SM1-SM3, вычитатель SUB1, счетчик CT2, нужны для вычисления экстраполирующего полинома.

Счетчик CT2 хранит время, нужное для вычисления полинома, и возрастает по приходу тактовых импульсов с частотой опроса датчика fопр и сбрасывается в 1 по приходу сигнала признака существенного отчета.

После вычисления полинома, его значение попадает в регистр RG4 и на вычитатель SUB1, где находится разность между этим значением и текущем отсчетом, находящимся в регистре RG5. Далее модуль этой разности попадает на компаратор CMP1, где сравнивается с допустимой погрешностью eps.

Другие блоки БСД (БСД2-БСД19) имеют аналогичный состав и строение.

Блок коммутации

Задача блока коммутации - циклическое подключение всех БСД к блоку кодирования. Входными данными для блока коммутации являются адрес канала adr, получаемый с блока управления, данные с выхода БСД D1-D19 и признаки существенного отчета SO1-SO19.

В состав блока коммутации входят коммутаторы MUX2 и MUX3. Коммутатор MUX2 подключает нужный канал к информационным входам D1-D12 сдвигового регистра RG>1.

А коммутатор MUX3 подключает нужный признак существенного отчета на вход разрешения записи WR этого же сдвигового регистра.

Блок кодирования данных

Задача блока кодирования - преобразование параллельного кода в последовательный код с проверочными символами.

Входными данными для блока кодирования являются: частота кодирования fкод, параллельный код, сигнал разрешения на запись SO в сдвиговый регистр RG>1 и признак окончания информационных разрядов OF, получаемый от компаратора CMP2 с блока формирования кадра.

Выходными данными является последовательный код.

В состав блока кодирования входит сдвиговый регистр RG>1, логические элементы исключающее ИЛИ =11 - =110, логические И &8, D-триггеры T1-T15.

Так как данные, получаемые с блока коммутации 12-разрядные, а количество информационных символов в слове равно 16, то 4 старших разряда(D13-D14) в сдвиговом регистре RG>1 заполняются нулями.

При получении сигнала разрешения на запись SO в сдвиговый регистр RG>1 осуществляется параллельная загрузка данных с блока коммутации. Далее при получении тактовых импульсов с частотой fкод данные последовательно со старшего разряда передаются на вход блока формирования кадра и на систему триггеров T1-T15 и элементов Исключающее ИЛИ =11 - =110, аппаратно реализующих циклическое кодирование. С 1 по 16 такты работы блока кодирования сигнал признака переполнения OF равен 0, и обратная связь включена. После 16 такта работы блока кодирования блок формирования кадра устанавливает сигнал OF в 1, обратная связь отключается и до 31 такта включительно на блок формирования кадра попадают контрольные символы, снимаемые с триггера T15.

Для проверки правильности работы блока кодирования закодируем следующую последовательность 1000100110001111.Для начала вручную разделим последовательность на образующий полином:

Рисунок 4 - Деление последовательности на образующий полином

В итоге у нас получается остаток 101001001101101.

Теперь рассмотрим, как данная последовательность закодируется аппаратно:

Таблица 4 - Аппаратное кодирование последовательности

вход	T1	T2	T3	T4	T5	T6	T7	T8	T9	T10	T11	T12	T13	T14	T15	выход
-	0	0	0	0	0	0	0	0	0	0	0	0	0	0	0	-
1	1	1	1	1	0	1	0	1	1	1	1	1	0	0	0	1
0	0	1	1	1	1	0	1	0	1	1	1	1	1	0	0	0
0	0	0	1	1	1	1	0	1	0	1	1	1	1	1	0	0
0	0	0	0	1	1	1	1	0	1	0	1	1	1	1	1	0
вход	T1	T2	T3	T4	T5	T6	T7	T8	T9	T10	T11	T12	T13	T14	T15	выход
1	0	0	0	0	1	1	1	1	0	1	0	1	1	1	1	1
0	1	1	1	1	0	0	1	0	0	1	0	1	1	1	1	0
0	1	0	0	0	1	1	0	0	1	1	0	1	1	1	1	0
1	0	1	0	0	0	1	1	0	0	1	1	0	1	1	1	1
1	0	0	1	0	0	0	1	1	0	0	1	1	0	1	1	1
0	1	1	1	0	0	1	0	0	0	1	1	0	1	0	1	0
0	1	0	0	0	0	1	1	1	1	1	0	0	0	1	0	0
0	0	1	0	0	0	0	1	1	1	1	1	0	0	0	1	0
1	0	0	1	0	0	0	0	1	1	1	1	1	0	0	0	1
1	1	1	1	0	0	1	0	1	0	0	0	0	1	0	0	1
1	1	0	0	0	0	1	1	1	0	1	1	1	0	1	0	1
1	1	0	1	1	0	1	1	0	0	1	0	0	1	0	1	1
-	0	1	0	1	1	0	1	1	0	0	1	0	0	1	0	1
-	0	0	1	0	1	1	0	1	1	0	0	1	0	0	1	0
-	0	0	0	1	0	1	1	0	1	1	0	0	1	0	0	1
-	0	0	0	0	1	0	1	1	0	1	1	0	0	1	0	0
-	0	0	0	0	0	1	0	1	1	0	1	1	0	0	1	0
-	0	0	0	0	0	0	1	0	1	1	0	1	1	0	0	1
-	0	0	0	0	0	0	0	1	0	1	1	0	1	1	0	0
-	0	0	0	0	0	0	0	0	1	0	1	1	0	1	1	0
-	0	0	0	0	0	0	0	0	0	1	0	1	1	0	1	1
-	0	0	0	0	0	0	0	0	0	0	1	0	1	1	0	1
-	0	0	0	0	0	0	0	0	0	0	0	1	0	1	1	0
-	0	0	0	0	0	0	0	0	0	0	0	0	1	0	1	1
-	0	0	0	0	0	0	0	0	0	0	0	0	0	1	0	1
-	0	0	0	0	0	0	0	0	0	0	0	0	0	0	1	0
-	0	0	0	0	0	0	0	0	0	0	0	0	0	0	0	1

Как видим, остаток, полученный от деления последовательности на образующий полином равен символам, снимаемым с выхода блока кодирования после отключения обратной связи. Следовательно, последовательность кодируется верно.

Блок формирования кадра

Входными сигналами для блока формирования кадра являются: последовательный код с блока кодирования, адрес канала adr с блока управления, сигнал признака существенного отчета SO с блока коммутации, тактовые сигналы с частотой fкод с блока управления, сигнал завершения кодирования RES с блока управления.

Выходными данными является кадр, последовательно передающийся в линию связи и сигнал признака окончания информационных разрядов OF, управляющий обратной связью блока кодирования.

Блок формирования кадра состоит из счетчика CT3, коммутаторов MUX4 и MUX5, компараторов CMP2 и CMP3, логического элемента И &9 и сдвигового регистра RG>2.

Каждый тактовый импульс значение на выходе счетчика CT3 увеличивается на 1. По этому значению компараторы CMP2 и CMP3 контролируют работу блока. С 1 по 16 такт включительно значение на выходах компараторов равно 0, и к линии связи подключен канал, берущий значения с сдвигового регистра RG>1 блока кодирования (информационные символы). С 17 по 31 такт включительно CMP2 устанавливается в 1, сигнал OF устанавливается в 1 и закрывает обратную связь блока кодирования, к линии связи подключается канал, берущий значения с триггера T15 блока кодирования (проверочные символы). С 32 по 36 такт включительно CMP3 устанавливается в 1, к линии связи подключается канал, берущий значения со сдвигового регистра RG>2, содержащего 5-разрядный адрес датчика, подсоединенного к блоку коммутации в данный момент. Параллельная загрузка адреса в сдвиговый регистр RG>2 осуществляется по сигналу признака существенного отчета SO с блока коммутации, а синхроимпульсы приходят на вход только при CMP3=1.

После окончания сжатия данных со следующего канала блок управления сгенерирует сигнал окончания кодирования RES, сбрасывая значение в счетчике CT3 до 0.

Блок управления.

Задачей блока управления является генерирование тактовых импульсов необходимых частот.

Блок управления состоит из генератора G, делителей частоты (f/36, f/72, f/19), логических И (&10, &11), ждущих мультивибраторов G11 и G12, счетчика CT4 и демультиплексора DMX1.

Для корректной работы устройства блок управления должен выдавать следующие сигналы: тактовые импульсы опроса датчиков для счетчика CT2, 5-разрядный адрес датчика для блока формирования кадра и блока коммутации, тактовые импульсы для управления всеми БСД, тактовые импульсы кодирования для блока кодирования и блока формирования кадра, сигнал сброса счетчика CT3 блока формирования кадра.

Основная частота (частота, с которой кодируется выборка) устанавливается генератором G. Эта частота попадает на делитель частоты f/36, таким образом, получая частоту опроса одного канала fк.

За время импульса опроса одного канала отсчет нужно сжать и закодировать. Для простоты реализации выделим первый(верхний) полупериод импульса под сжатие, а второй(нижний) полупериод под кодирование.

Так как за один такт работы блока сжатия с алгоритмом экстраполяции должна выполниться всего одна операция с данными (заполнение одного или двух регистров RG1, RG2, RG3 или заполнение регистров RG4 и RG5), то за верхний полупериод импульса опроса одного канала должен быть послан всего один тактовый импульс на блок сжатия. Однако, регистр RG4 блока сжатия заполняется на низком уровне тактового импульса, поэтому частота тактовых импульсов блока сжатия должна быть в два раза больше частоты опроса канала, иначе возможен запаздывающий выход сигнала признака существенного отчета SOi, что приведет к некорректной работе всего прибора. Поэтому в блок управления добавляется еще один делитель частоты f/36. Соединение двух делителей f/36 и f/72 логическим И &10 даст нам нужные тактовые импульсы для управления БСД. По спаду этого импульса через ждущий мультивибратор G11 будет сбрасываться счетчик CT3 блока формирования кадра. Для разделения тактовых импульсов по всем БСД прибора применяем демультиплексор DMX1.

Тактовые импульсы с делителя частоты f/72 также поступают на вход счетчика CT4, таким образом, на его выходе формируется адрес опрашиваемого в данный момент канала adr, который посылается на блок формирования кадра, блок коммутации и демультиплексор DMX1; и на делитель частоты f/19, таким образом получая тактовые импульсы опроса датчиков, которые используются для задания времени при вычислении полинома в счетчике CT2 и для сброса счетчика CT4 через ждущий мультивибратор G12.

Пример работы БУ представлен на рисунке 5.

Рисунок 5 - Пример работы блока управления

Заключение

В данном курсовом проекте было разработано устройство сбора и обработки информации, реализующее алгоритм экстраполяции второго порядка и циклическое кодирование кодом БЧХ.

Погрешность преобразования разработанного устройства составляет 0,0024%, вероятность ошибочного приема информации 2,4067E-25.

Возможно, увеличение количества разрядов цифровых датчиков на 2 и увеличение количества двоичных датчиков на 4 в последнем двоичном блоке без внесения изменений в остальные части устройства.

Список использованных источников

1. Дядюнов А.Н. Адаптивные системы сбора и передачи аналоговой информации. Основа теории / А.Н. Дядюнов, Ю.А. Онищенко, А.И. Сенин. - Машиностроение, 1988. - 288 с.

2. Сергиенко А.Б. Цифровая обработка сигналов / А.Б. Сергиенко - СПб.: Питер, 2003. - 604 с.

3. Тутевич В.Н. Телемеханика: Учеб. пособие для студентов вузов спец. «Автоматика и телемеханика». - 2-е издание перераб. и доп. - М. :Высш. Шк., 1985. - 423 с.

4. Чье Ен Ун. Электроника. Цифровые элементы и устройства. - учебное пособие / Чье Ен Ун. - Хабаровск, 2002. - 97 с.

5. Новоселов О.Н. Основы теории и расчета информационно-измерительных систем / Новоселов О.Н., Фомин А.Ф. - М.: Машиностроение, 1980. - 280 с.

Размещено на Allbest.ru