CC BY
16
ИРКУТСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ПУТЕЙ СООБЩЕНИЯ
14. Skrypnik O. N., Erohin V.V. Research of parameters of working constellation GLONASS on the basis of modeling of orbital grouping. Scientific bulletin of the Moscow state technical university of civil aviation. 2012. № 180. P.p. 70-77.
15. Информационно -аналитический центр КВНО ФГУП ЦНИИмаш. Прикладной потребительский центр ГЛОНАСС. : сайт. URL: http://glonass-iac.ru/. (Дата обращения 16.12.2016).
16. Текущее состояние орбитальной группировки ГЛОНАСС // Российская система дифференциальной коррекции и мониторинга (СДКМ) сайт.
URL: http://www.sdcm.ru/ (Дата обращения 16.12.2016).
17. Skrypnik O.N., Arefev R.O., Arefeva N.G. The calculation of the navigation session of the GLONASS system. Certificate of state registration of computer programs RU 2016617951 from 19.07.2016.
18. Skrypnik O.N., Nechaev E.E., Arefev R.O. Construction and analysis of GPS accuracy fields on the basis of hardware-software means NI GPS SIMULATION TOOLKIT. Scientific bulletin of the Moscow state technical university of civil aviation. 2014. № 209. P.p. 5-12.
УДК 681.: 656.25 Мухопад Юрий Федорович,
заслуженный деятель науки РФ, д. т. н., профессор, Иркутский государственный университет путей сообщения,
е-mail: bts48@mail.ru Пунсык-Намжилов Даба Цыренович, к. т. н., генеральный директор ООО «Химтех Юкос», Томск,
е-mail: dablttf@mail.ru
ОРГАНИЗАЦИЯ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ АДРЕСНОЙ И УПРАВЛЯЮЩЕЙ ПОДСИСТЕМ
В СРЕДСТВАХ АВТОМАТИЗАЦИИ
Yu. F. Mukhopad, D. Ts. Punsik-Namgilov
THE ORGANIZATION OF INTERACTION OF THE ADDRESS AND OPERATING SUBSYSTEMS IN THE AUTOMATION EQUIPMENT
Аннотация. Рассматриваются вопросы структурной организации спецпроцессоров по системной пятикомпонентной модели. Показано, что структурная организация аналого-цифровых систем определяется по модели в виде полного графа, вершины которого соответствуют функциональной (Ф), информационной (И), логической (Л), адресной (А) и управляющей (У) подсистемам. Объединение функций Ф и Л, а также А и У подсистем в базовой структуре с микроконтроллером не обеспечивает требуемого быстродействия средств автоматизации технологических процессов. На основе анализа граф-схемы алгоритма управления и матрицы связности операторов формализована процедура организации непосредственных связей функциональных преобразователей с частичным обращением к данным через общую шину. Сравнительный анализ по количеству обращений к общей шине подтверждает эффективность методики синтеза с повышением быстродействия средств автоматизации в несколько раз. Структуры информационно-управляющих систем с динамически перестраиваемыми связями наиболее эффективны для средств автоматизации технологических процессов и сложных технических систем с оперативным контролем функционирования и интеллектуальными спецпроцессорами.
Ключевые слова: алгоритм, информационно-управляющие системы, средства автоматизации, матрица связности, граф, графсхема, общая шина.
Abstract. Matters of the structural organization of special processors for system five-component model are considered. It is shown that the structural organization of analog-digital systems is determined by model presented in the form of the complete graph whose tops correspond to functional (F), information (I), logical (L), address (A) and control (C) subsystems. Unification offunctions F and L, and also that of A and C subsystems in basic structure with the microcontroller doesn't provide the required speed of automation equipment. Analysis based on flowchart scheme of a control algorithm and a matrix of operators connectivity with the partial addressing data via the general tire is formalized. The comparative analysis based on the number of appeals to the general tire confirms efficiency of a synthesis technique marked by a repeated speed increase. Structures of information control systems with dynamically reconstructed communications are the most effective for the automation equipment of technological processes and difficult technical systems with operating functioning control and special intelligent processors.
Keywords: algorithm, information and control systems, means of automation, connectivity matrix, graph, graph-diagram, general
bus.
Введение
Аналого-цифровые системы чаще всего организуются через цифровые блоки с предварительным преобразованием аналоговой информации в цифровой код и с последующей обработкой через микроконтроллер.
В аналого-цифровых системах микроконтроллер выполняет функции центрального про-
цессора и устройства управления. На основе анализа граф-схемы алгоритма управления и матрицы связности операторов формализована процедура организации непосредственных связей функциональных преобразователей с частичным обращением к данным через общую шину.
В системе в целом реализуются пять основных функций:
вычислительная техника и управление
- вычислительные операции с дискретной формой представления информации операторами
Л1 ■■■Лк ;
- обмен информацией через общую шину при переходе от А к Л. е {Л}
- управление вычислительным процессом с выдачей исполнительных команд для объекта управления;
- накопление результатов вычислений и фильтрация помех;
- управление процессом преобразования «аналог - код» и «код - аналог» с выдачей результатов.
Постановка задачи
Микроконтроллерная организация рассматривается как основная (базовая) для информационно-управляющих систем. Будем рассматривать системы, в которых информация представлена как напряжением Щ?), так и двоичным позиционным кодом (ДПК) с ограниченной разрядностью (12^16) с фиксированной запятой [1-5].
При такой структурной организации высокое быстродействие не обеспечивается по трем основным причинам:
- низкая скорость обмена информацией через общую шину;
- низкий уровень быстродействия при реализации вычислительных операторов Л ■■■ Л алгоритмическим методом с помощью разложения функций в ряды Фурье;
- использование микропрограммного принципа управления с объединением в одной команде кода операции и признаков модификации адресного поля;
- управляющие команды микроконтроллера, как правило, реализуются за время 16-32 синхроимпульса вместо одного при аппаратной реализации управляющей подсистемы.
Для аналого-цифровых систем реального времени с ограниченной точностью представления информации структурная организация неэффективна, поэтому целесообразно создавать спецпроцессоры на основе обобщенной модели в виде пяти взаимосвязанных подсистем - ФИЛАУ [6]:
Функциональной (Ф) подсистемы как комплекса таблично-алгоритмических функциональных преобразователей информации [7-11] и микроконтроллера для выполнения ограниченного числа простейших арифметических операций сложения и вычитания подсистемы. Информационной (И) -ОЗУ и ПЗУ. Логической (Л) подсистемы в виде схемы сравнения сигналов Щ(0 < Що и схем сравнения кодов с формированием двоичных признаков а„а [12]. Адресной (А) подсистемы в виде ком-
плекса блоков для осуществления обмена информацией между Л и Л е { Л} в информационно-
управляющем процессе (счетчики, дешифраторы, мультиплексоры, коммутаторы [13]). Управляющей (У) подсистемы, реализующей всю последовательность переходов от А- к А . е {Л} с учетом
значений а . е {а} и выдачу исполнительных команд для объекта управления.
Управляющий алгоритм задается операторной схемой алгоритма (ОСА) или в виде граф-схем (ГСА), логических схем (ЛСА), табличных схем (ТСА) и др. Все эти схемы тождественны, а правила взаимных преобразований приведены в работе [6]. В спецпроцессоре, реализованном по модели ФИ-ЛАУ, количество операций преобразования «аналог - код» сокращается на порядок, т. к. часть функциональных преобразований осуществляется в аналоговом виде, и в код преобразуется лишь результат после фильтрации помех. При более высоких требованиях по точности (~16 двоичных разрядов) функциональные преобразователи организуются по таблично-алгоритмической схеме с алгоритмами фильтрации по методу «скользящего окна» с минимальным числом арифметических операторов [14]. Структуры спецпроцессоров подобного типа с использованием микроконтроллера и функциональных преобразователей получили название информационно-управляющих систем с расширителями функций. Организация управляющих подсистем без адресации достаточно хорошо определена [15-18]. Организации адресной подсистемы для быстродействующих спецпроцессоров до сих пор не уделялось должного внимания. Обобщенный анализ модели ФИЛАУ определяет связи:
- через общую шину (рис. 1);
- с тремя шинами (адресная, управляющая, информационная);
- полные связи каждого оператора Л1 с каждым Л е { Л} .
А1 А2 А10
ОШ
Рис. 1. Связь через общую шину
Организация связей спецпроцессора
Для конкретного вычислительного процесса с фиксированным алгоритмом управления в информационно-управляющей системе при переходе от
ИРКУТСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ПУТЕЙ СООБЩЕНИЯ
оператора Л, к Л устанавливаются непосредственные связи Л - Л, не требующие обращения к общей шине, которые могут быть описаны матрицей смежности (табл. 1 ) со структурным графом (рис. 2).
Рис. 2. Граф смежности операторов
Т а б л и ц а 1
Матрица связности
А А А А А А А А А А1
1 2 3 4 5 6 7 8 9 0
А1 - 1 1 1 1 1
А2 1 1 1 1 1
Аз 1 1 1
А4 1
А5 1 1 1 1 1
Аб 1 1 1
А7 1 1 1
А8 1 1 1
А9 1 1 1
А1 0 1 1
узлы графа (Л, Л), Тогда получаются две сети последовательных связей Л - Л4 - Л6 - Л - Л10 - Л1} и Л - Л3 - Л - Л - Л - Л со связью через Л (*) одновременно с двумя устройствами Л. -1) и
Лк (? +1), где Л-, Л выбираются по структуре графа рис. 3.
ОШ
Рис. 3. Взаимодействие двух групп операторов через общую шину
Для одноместной операции Л. - это источник поступления информации, а Л - адрес направления результата. Трехместные операторы не рассматриваются, т. к. они выполняются алгоритмически через последовательности одноместных и двухместных операторов.
Пусть временная последовательность выполнения операторов определяется граф-схемой алгоритма (рис. 4).
В табл. 1 , обозначено: символом 1 - наличие связи, пустой клеткой - отсутствие связи, прочерком (-) обозначена связь с общей шиной (В).
По методике работы [19] выбираются узлы графа, имеющие наибольшие связи с другими вершинами (Л, Л, Л) и определяется возможность связи всех других узлов структурного графа дугами, исходящими из этих узлов:
Л1{Л2, Л4, Л6, Л10} ;
Л2{ Л1 ? Л5 ? Л9 } ;
Л5 {Л2 ? Л4? Л6' Л7} .
Выбираются два узла, имеющие минимальное совпадение операторов, но охватывающие все
Бб
®
Бв
1
аб
Рис. 4. Граф-схема алгоритма
о
о
вычислительная техника и управление
Т а б л и ц а 2 Информационные связи
1 2 3 4
А1 А4А10 А2 А3А9
А4 А1А6 А3 А2А5
Аб А§А4 А5 А3А7
а8 АбАш А7 А5А9
Аю со А9 А2А7
I II
Т а б л и ц а 3 Последовательности операторов
А1 1
3 А3А4 А5 А3
4 А6 А2 А7
5 А А1А3 А6
6 А4 А2 А9
7 А1А3А10
8 А9 А А5
Установление связей по измененным во времени спискам может быть осуществлено поред-ством неординарного коммутатора. Неординарный коммутатор т х т допускает одновременную не-блокируемую связь с двумя выходами через схему управления [3, 4, 13].
Таким образом, вычислительный процесс для заданного алгоритма (рис. 4) и заданной таблицы информационных связей (табл. 2) будет осуществляться на одной структуре ИУС, а для другого алгоритма структура ИУС будет построена с учетом обращения к общей шине и процедуры коммутации (рис. 5).
Очевидно, что алгоритм реализуется правильно, если для каждого А устанавливаются информационные связи в соответствии со списком табл. 2. На рис. 4 символом Б обозначены линейные (без логических условий) последовательности операторов (табл. 3).
При реализации реального вычислительного процесса в какой-то момент времени часть связей может не устанавливаться. Реальным алгоритмом управления одновременно может включаться один оператор столбцов 1 и 3, устанавливая связь с операторами (устройствами) столбцов 2 и 4, кроме А1
и А2. Операторы А1 и А2 могут включаться
только последовательно, т. к. оба имеют связи еще и с общей шиной (будем обозначать ее символом В).
Нами рассматриваются только двухместные операторы А = А © А, где © - символ любой операции над кодами или аналоговой информацией от блоков А и А .
Системы с перестраиваемыми связями позволяют обеспечить более высокий уровень быстродействия процесса обработки информации.
Определим быстродействие реализации алгоритма в системе с перестраиваемыми связями (рис. 5) по сравнению с системой, имеющей общую шину. На граф-схеме (рис. 3) выделим критический путь от А к А при однократном обходе обратных связей через соответствующие а..
Для заданного примера (рис. 3) получим АА^^ъ^^^п^ . Подсчитаем с помощью таблицы 3 общее число операторов с учетом обмена через В, соответствующего операторам А , А . Пусть установление непосредственных связей (табл. 2) по соответствующей микрокоманде в 10 раз быстрее получения информации через общую шину ИУС [6]. Тогда получим, что для структуры (рис. 5) оператор типа В используется только 5 раз, а для структуры (рис. 1) более 22 раз. Выигрыш в быстродействии составит 22/5 = 4,4 раза.
А1
А4А6 А8А10
£
А2
АзА5 А7А9
МПА
Рис. 5 Структурная организация процессора с коммутацией операторов и общей шиной
Заключение
Предлагаемые структуры информационно-управляющих систем с динамически перестраиваемыми связями наиболее эффективны для средств автоматизации технологических процессов, а также для интеллектуальных систем с параллельным выполнением операций и сложных технических систем с оперативным контролем функционирования.
В
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Уилмсхерст Т. Разработка встроенных систем с помощью микроконтроллеров PIC. М. : МК-Пресс, 2008. 543 с.
2. Специализированные ЦВМ / под ред. В.Б. Смо-лова. М. : Высшая школа, 1981. 279 с.
3. Мухопад Ю.Ф. Микропроцессорные системы управления работами-манипуляторами. Иркутск : Изд-во ИГУ, 1984. 124 с.
4. Мухопад Ю.Ф. Микроэлектронные информационно-управляющие системы. Иркутск : Изд-во ИрГУПС, 2004. 407 с.
5. Мухопад Ю.Ф., Пашков Н.Н., Пунсык-Намжи-лов Д.Ц. Адаптивные системы управления с динамической структурной организацией в режиме реального времени // Современные технологии. Системный анализ. Моделирование. 2008. № 3 (23). С. 171-175.
6. Мухопад Ю.Ф. Теория дискретных устройств. Иркутск : Изд-во ИрГУПС, 2010. 172 с.
7. Мухопад Ю.Ф., Федченко А.И., Лукашенко
B.М. Функциональные преобразователи с ограниченным числом хранимых констант // Управляющие системы и машины. 1978. № 5.
C. 86-88.
8. А.с. 1290305 СССР. Устройство для вычисления функций / Ю.Ф. Мухопад, В.Б. Смолов 1987. БИ № 6.
9. Смагин А.А. Сжатие информации в табличных структурах. Саратов, 1985. 124 с.
10.Информационные системы. Табличная обработка информации / под ред. Е.П. Балашова, В.Б. Смолова. Л. : Энергоатомиздат,1985. 184 с.
11. Мухопад Ю.Ф. Микроэлектронные системы управления. Братск : БрГУ, 2009. 285 с.
12. Зубрицкий Э.В., Мухопад Ю.Ф., Бадмаева Т.С. Контроль электрических параметров аналого-цифровых схем автоматики // Автоматизированные системы контроля и управления на транспорте. Иркутск : ИрИИТ, 1999. С. 127-128.
13.А.с. 1087996 СССР. Устройство для программного управления с применением коммутатора / Ю.Ф. Мухопад, Т.С. Бадмаева. БИ 1984. № 15.
14. А.с. 714408 СССР. Адаптивный аналого-цифровой фильтр / Мухопад Ю.Ф., Кучина Е.М. Опубл. 10.02.1980, Бюл. № 5.
15. Barry Wilkinson. The essence of digital design. Prentice Hall, Europe, 1998. 318p.
16. Соловьев В.В., Климович А. Логическое проектирование цифровых систем на основе ПЛИС. М. : Горячая линия-Телеком, 2008. 374 с.
17. Закревский А.Д., Поттосин Ю.В., Черемисинова Л.Д. Основы логического проектирования. Кн.3. Проектирование устройств логического управления. Минск : ОИПИНАП Беларусь, 2004. 226 с.
18. Мухопад А.Ю. Теория управляющих автоматов технических систем реального времени. Новосибирск : Наука, 2015. 176 с.
19. Елисеев В.К. Формирование локальных сетей в АСУ // Вопросы радиоэлектроники. Сер.: ЭВТ. 1989. Вып. 10. С. 3-7.
УДК 681.31:620.179.14 Степанов Александр Леонидович,
к. т. н., доцент кафедры «Теоретическая электротехника и электрические машины»,
Северо-Кавказский горно-металлургический институт (Государственный технологический университет), тел. 8-961-824-00-04, e-mail: stepanovgmi@mail.ru Дорош Наталия Владимировна, к. т. н., доцент, кафедра «Медицинская информатика», Львовский национальный медицинский университет имени Данила Галицкого (ЛНМУ), Львов,
e-mail: nvdorosh54@mail.ru
МАТЕМАТИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ ВИХРЕТОКОВОГО ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯ.
РЕШЕНИЕ ОТДЕЛЬНЫХ ЗАДАЧ
A. L. Stepanov, N. V. Dorosh
MATHEMATICAL MODEL OF THE EDDY CURRENT PROBE. THE IMPLEMENTATION OF INDIVIDUAL TASKS
Аннотация. Работа посвящена созданию математического обеспечения САПР методов и средств неразрушающего вих-ретокового контроля материалов и изделий. Она содержит решение отдельных фрагментов построения универсальной математической модели вихретокового трансформаторного преобразователя линейно-протяженной формы, предназначенной для теоретического описания процесса контроля плоских многослойных проводящих объектов, в том числе:
а) определения и обоснование выражений, описывающих вектор-потенциал синусоидального квазистационарного электромагнитного поля, создаваемого с помощью обмотки возбуждения, и определяющих ЭДС, наводимую в измерительной обмотке этого преобразователя.
