CC BY
29
-►
Системный анализ и управление
УДК 550.388.1:004.436.2:681.327.8
СИСТЕМА УПРАВЛЕНИЯ
Цель работы - модернизация аппаратных средств ионозонда для реализации методики повышения точности определения действующей высоты отражения методом наибольшего правдоподобия в спектральной области [1, 2]. Исследование вызвано необходимостью повышения информативности обработки результатов вертикального зондирования ионосферы. Предлагаемая методика позволяет повысить точность определения действующей высоты до 300-500 м, что в несколько раз превышает обычную типовую точность (~ 2,5 км). Для реализации данного алгоритма [1, 2] необходимо изменить обработку сигналов, а систему управления дополнить схемой имитации зондирующего импульса, что возможно только после модернизации аппаратуры, разработанной в середине 1980-х гг.
Из-за ограниченности финансовых возможностей модернизация свелась к полной замене системы управления ионозонда, практически не затронув сложные в настройке аналоговые узлы, такие как передатчик и приемник. Модернизировать старую систему не представляется возможным, т. к. она собрана на морально устаревших микросхемах ТТЛ серии. Кроме того, метод повышения точности определения действующей высоты постоянно совершенствуется, из-за чего необходимо разработать систему управления, позволяющую оперативно изменять схему с минимумом монтажного вмешательства. Поэтому новая система управления основана на программируемых логических интегральных микросхемах большой емкости (СБИС ПЛ).
Другой знаковой микросхемой в создании системы управления будет микросхема прямого цифрового синтеза частот (ПЦСЧ), т. к. ионозонд -это импульсный радар с быстрой сменой зондирующей частоты (с типовым временем переключения ~10 мс). Поэтому при выборе возбудителя
А.Д. Акчурин, К.М. Юсупов ИОНОЗОНДА «ЦИКЛОН»
передатчика предпочтение отдано генератору гармонических сигналов на микросхеме ПЦСЧ.
Выбор интерфейсов подключения СБИС ПЛ и ПЦСЧ к компьютеру в настоящее время достаточно широк (наиболее популярные USB и PCI). Предшествующий опыт работы показал, что в непосредственной близости от передающего устройства наиболее стабильно работают PCI устройства, что во многом связано с отсутствием кабелей соединения между компьютером и периферийными устройствами. Опыт также показал, что некоторые узлы и микросхемы сбиваются или выходят из строя во время работы передатчика. Так, например, «родной» первый гетеродин приемника Р-399 «Катран» (собранный на нескольких кольцах ФАПЧ) сбивается по частоте, а у микросхем ПЦСЧ AD9852/54 выходят из строя выходные каскады. Поэтому в качестве рабочего интерфейса для системы управления выбрана PCI-шина, а в качестве генераторов возбудителя передатчика и первого гетеродина - микросхемы ПЦСЧ - AD9851.
Для экономии времени схема управления реализована не на одной плате, а на двух. Первая плата - промышленный отладочный комплект MAX II Dev Kit (с размещенной СБИС ПЛ -EPM1270F256C5), а вторая - разработанная нами дополнительная плата (содержащая микросхемы ПЦСЧ, схему имитации зондирующего импульса и др.). Из-за недостатка опыта пришлось изготовить несколько вариантов дополнительной платы (с последовательным совершенствованием), пока не добились необходимой работоспособности.
В пользу выбора отладочного комплекта сыграло наличие достаточно емкой ПЛ СБИС, позолоченного краевого ламельного разъема PCI, USB интерфейса и 44 свободных контактов (сгруппированные в разъемы, называемые Santa Cruz Connectors) для подключения внеш-
4
Рис. 1. Структурная схема ионозонда «Циклон»
них устройств. Эти контакты использовались нами для подключения дополнительной платы. Основная задача дополнительной платы - генерация гармонических сигналов для возбуждения передатчика и первого гетеродина приемника, выработка тестового сигнала и согласование интерфейсов ПЛ СБИС с исполнительными устройствами ионозонда. Для того чтобы пояснить режимы работы системы управления, методику повышения точности регистрации высоты отражения и номенклатуру микросхем, размещенных на дополнительной плате, рассмотрим структурную схему ионозонда (рис. 1).
Структурная схема ионозонда
Ионозонд состоит из пяти основных узлов: компьютера, импульсного передатчика, КВ-приемника Р-399 «Катран», платы сбора информации Е-440 (производитель Lcard) и системы управления ионозондом (подключаемой к слоту PCI). Комментарии на структурной схеме (см. рис. 1) поясняют назначения блоков.
Особенности функционирования системы управления следующие. Узлы работают как в классическом импульсном радаре. Запуск сеанса зондирования начинается с появления секундной метки на выходе GPS-часов (1 PPS). Модулирующий импульс для передатчика вырабатывается в схеме, организованной в ПЛ СБИС. Сигнал для возбуждения передатчика вырабатывает генера-
тор ПЦСЧ2. Отраженный от ионосферы сигнал поступает в приемник с двойным преобразованием частоты. Первым гетеродином служит генератор ПЦСЧ1. Вторая ПЧ (215 кГц) с выхода приемника поступает в плату сбора информации (тактовая частота 360 кГц). Для уменьшения входного потока информации программа, производящая зондирование, выполняет цифровое квадратурное детектирование с 6-кратной децимацией сигнала со второй ПЧ. После децимации в компьютер записываются 256 комплексных отсчетов амплитуды и фазы с частотой 60 кГц (с интервалом 16,6 мкс).
Такая процедура зондирования ионосферы повторяется 400 раз, пробегая диапазон частот 1-10 МГц, с частотой повторения 20 Гц. Результат зондирования представляется в виде ионограмм. Для организации такой быстрой перестройки зондирующей частоты необходимы микросхемы ПЦСЧ. Положительной чертой таких микросхем является быстрая перестройка частоты, недостатком - повышенный уровень шумовых гармоник на выходе (по сравнению с ФАПЧ-генераторами), который на нашей плате ослабляется ВЧ усилителями-фильтрами 1 и 2.
Логическая схема системы управления в СБИС ПЛ
Для обеспечения описанного ранее режима работы ионозонда была разработана схема в
Рис. 2. Логическая схема системы управления в ПЛ СБИС
СБИС ПЛ (рис. 2) на языке описания аппаратуры Verilog HDL в САПР - Quartus II. Схема в ПЛ СБИС состоит из четырех функциональных узлов: первый - интерфейс PCI (реализует соединение с компьютером через шину PCI), второй - силовые ключи для управления импульсным передатчиком (сигналы: «вкл. накал», «вкл. анод»), третий -загрузчик двух микросхем ПЦСЧ, четвертый -таймеры на счетчиках (вырабатывающие модулирующий импульс передатчика, тестовый импульс и стробы АЦП (360 кГц)).
Узел интерфейса PCI осуществляет начальную установку связи в процессе инициализации персонального компьютера, передачу данных от персонального компьютера к регистрам, определяющим параметры работы ионозонда. Применяемое нами windows-приложение может работать только с шестнадцатью разрядами шины данных, поэтому для более простой работы с шиной PCI используется трехпортовая схема. Наполнение обязанностей этих портов следующее: порт-1 или адрес задействован для данных, направляемых в буферные регистры; порт-2 - для внутренней субадресации или для выбора конкретного буферного регистра и стробирования записи в него; порт-3 - для управления схемы запуска сеанса, запуском загрузчика двух микросхем ПЦСЧ и таймеров на счетчиках.
Работа таймеров на счетчиках показана с помощью временной диаграммы вырабатываемых сигналов (рис. 3). На ней представлены модулирующий импульс передатчика, стробирующие импульсы АЦП и тестовый импульс. Для обозна-
чения сигналов использовались названия, соответствующие Verilog-коду.
Сеанс зондирования ионозонда должен начаться с выставления сигнала start, дающего возможность секундному импульсу clksec от GPS-синхронометра (по сигналу 1 PPS) запустить сеанс зондирования (рис. 3, участок 1). После окончания сеанса зондирования схема управления должна снять сигнал start (рис. 3, участок 5), для предотвращения запуска нового сеанса по первому сигналу clksec.
После старта сеанса зондирования схема управления таймеров должна выработать все остальные сигналы, показанные на рис. 3 (s20, s360k, s20_short, s360k_short, init_range). Эти сигналы создаются на основе тактирующей частоты 36 МГц, вырабатываемой на дополнительной плате. Сигналы s20_short, s360k_short - вспомогательные, необходимые для выработки сигналов s20 (модулирующий импульс передатчика), s360k (стробы АЦП) соответственно. Сигнал init_range появляется с задержкой относительно s20 в интервале 0-4 мс с шагом 27,7 нс.
После прихода импульса clksec на следующий такт частоты (clk36m) происходит выдача импульса s20_short, а по переднему фронту s20_short происходит запуск сигналов s20, s360k, s360k_short. Расстояние между двумя импульсами s360k_short составляет 100 тактов clk36m (что соответствует 360 кГц). Генерация импульсов s360k_short прекращается после выработки заданного количества импульсов (256*6 шт) независимо от длительности импульса s20
4
start _J t It t 1
clksec
clk36m Mm'MM/iiwwwwM7 лллл/и 1ffliiif жшшшмш
s20_short Д <- 800000 тактов clk36m ^¿Ол1С-> Д
s20 1 -s-MXC\ —\ /
s360k_short n UJILt 2.77 МКС r-1 Г-1 Г-1 /\ ^-100 тактов clk36m^/\ l\ % I \
s360k l I 1 ллкс \ 1 rf\ /1 1
задержка
относительно
S20
init_range srange
5 О мхе—
I
Do 4 МС
fe/Y.
Рис. 3. Временная диаграмма работы схемы управления ПЛ СБИС
start - строб запуска по секундной метке clksec; clk36m - тактирующая частота (36 МГц); s20 - модулирующий импульс передатчика; s360 - стробы АЦП (360 кГц); init_range - сигнал, имитирующий отражение от ионосферы; s20_short, s360k_short и srange -вспомогательные импульсы для образования сигналов s20, s360k и init_range соответственно
(рис. 3, участок 4). Цикл генерации сигналов s360k_short каждый раз повторяется по фронту импульса s20_short. Сам сигнал s20_short появляется через 1800000 тактов clk36m (что соответствует 20 Гц частоте модулирующих импульсов). Отметим, что все указанные частоты и длительности могут быть изменены через перезагрузку буферных регистров через PCI порты. Но для простоты указаны частоты и длительности наиболее типичные для работы ионозонда.
Verilog-код схемы таймеров на счетчиках не приводится в связи с ограниченным объемом статьи, рассмотрим лишь код узла - загрузчика двух микросхем прямого цифрового синтеза частот AD9851. Для загрузки одной микросхемы 40-битовое слово настройки (tuning word) надо подавать в виде последовательной посылки 5 байт [3]. В нашей схеме загрузка AD9851 идет в два этапа: сначала через PCI-шину загружается 40-битовое слово в буферные регистры, а затем по команде из порта управления загрузчик ПЦСЧ побайтно отгружает слово настройки в AD9851. Согласно техническому описанию микросхемы AD9851 [3] установка каждого байта подтверждается (стро-бируется) единичным состоянием на выводе W_Clk микросхемы. После установки последнего пятого байта слова настройки микросхемы вывод FqUp переводится в единичное состояние. На нашей плате используется две микросхемы ПЦСЧ [3], поэтому необходимо два сигнала W_Clk (в представленном коде - это w_clk_1 и w_clk_2). Сигнал FqUp является общим, и для него в коде используется идентификатор fq_upd_ddss.
Последовательный характер загрузки наталкивает на запись алгоритма схемы в виде цикла, принятого в классическом программировании, когда с ростом переменной цикла выполняются различные последовательные действия. В языке Verilog все тактируемые операции осуществляются в рамках программной конструкции always (рис. 4). Стробирование осуществляется передним фронтом clk36m. За рост переменной цикла i отвечает нижняя конструкция if, которая сбрасывает переменную i в 0 каждый раз после достижения ею значения 15. Верхняя конструкция if не позволяет переменной снова начать расти (рост возможен только при I > 0). Старт роста возможен только при единичном сигнале load. В конструкции case при росте i первые пять действий осуществляют последовательную посылку 5 байт слова загрузки ПЦСЧ1 через шину PCI, вторые пять действий - слова загрузки ПЦСЧ2.
Дополнительная плата
Дополнительная плата спроектирована для стыковки отладочного комплекта с исполнительными устройствами ионозонда и подключается к отладочному комплекту через разъемы J3-J5 (рис. 5). Из-за различий в питании ПЛ СБИС (3,3 В) и старых блоков комплекса «Циклон» (5 В) при передаче логических сигналов необходимо конвертирование 3,3 В уровней в 5 В ТТЛ-уровни. В качестве таких конверторов на дополнительной плате были размещены микросхемы SN74LVCC3245A (DD1-DD7) (рис. 5). Выбор данной КМОП микросхемы обусловлен ее боль-
always @ (posedge clk_div3_1) if ( load | (i>0) ) begin
if (i<15) i <= i+1; else i <= 0; case (i)
1: {w_clk_1, data_bus_ddss} <= {1'b1, data_in_dds1[39:32]}; 2: {w_clk_1, data_bus_ddss} <= {1'b1, data_in_dds1[31:24]}; 3: {w_clk_1, data_bus_ddss} <= {1'b1, data_in_dds1[23:16]}; 4: {w_clk_1, data_bus_ddss} <= {1'b1, data_in_dds1[15:8]}; 5: {w_clk_1, data_bus_ddss} <= {1'b1, data_in_dds1[7:0]};
7: {w_clk_2, data_bus_ddss} <= {1'b1, data_in_dds2[39:32]}; 8: {w_clk_2, data_bus_ddss} <= {1'b1, data_in_dds2[31:24]}; 9: {w_clk_2, data_bus_ddss} <= {1'b1, data_in_dds2[23:16]}; 10: {w_clk_2, data_bus_ddss} <= {1'b1, data_in_dds2[15:8]}; 11: {w_clk_2, data_bus_ddss} <= {1'b1, data_in_dds2[7:0]}; default: { w_clk_1, w_clk_2, data_bus_ddss} <= 10'b00_0000_0000; endcase
if (i==14) fq_upd_ddss<=1; else fq_upd_ddss<=0;
end
Рис. 4. Фрагмент Verilog-кода схемы, отвечающий за загрузку микросхем ПЦСЧ
шим выходным током, достаточным для управления устройствами «Циклона» (в основном, ТТЛ схемами 155 серии). Дополнительно эти микросхемы выполняют роль буферов, ограждающих ПЛИС от внешних воздействий.
Кроме конверторов на дополнительной плате размещены следующие узлы. Это и упоминаемая ранее схема формирователя-распределителя тактовых частот, две микросхемы ПЦСЧ со своими фильтрами-усилителями, необходимыми для работы передатчика и приемника «Катран» соответственно, схема выработки тестового сигнала и узел силовых ключей для управления работой передатчика («Вкл. накал», «Вкл. анод»).
Основу схемы формирователя-распределителя составили следующие микросхемы (см. рис. 5): АБ8561 - компаратор (БА10), SN65LVDS150 - умножитель с петлей ФАПЧ (0011) и АD9513 - три независимых делителя частоты в одном корпусе (0012). Имеющийся источник опорной частоты генерирует сигнал синусоидальной формы, и для перевода его в прямоугольную форму применен компаратор А08561 с парафазным выходом. Особенностью и умножителя 0011, и делителя 0012 является «джамперное» (с помощью перемычек) управление коэффициентом умножения/деления, что по-
зволяет легко менять коэффициенты умножения (от 4 до 20) и деления (от 2 до 31) соответственно в случае смены источника опорной частоты. В качестве тактовых частот в блоке управления используются 30 МГц и 36 МГц при частоте входного опорного сигнала 10 МГц. Исходя из возможных диапазонов частот и коэффициентов умножения/деления, была выбрана следующая схема: частота опорного сигнала умножается на 18 и затем делится на 6 и на 5 соответственно.
LVDS-приемник на входе AD9513 позволяет принимать ей тактовые частоты до 800 МГц, а возможность задавать тип выходного интерфейса (LVDS или КМОП) позволяет передавать тактирующий сигнал непосредственно к микросхеме ПЦСЧ, работающей с КМОП уровнями.
Возбудитель передатчика и первый гетеродин «Катрана» размещены на дополнительной плате и выполнены на микросхемах ПЦСЧ AD9851 (с максимальной частотой тактирования 180 МГц). Загрузка обеих микросхем осуществляется согласно коду, приведенному выше (см. рис. 4).
Известно, что ПЦСЧ микросхемы вырабатывают сигнал с недостаточно чистым спектром. Так, в соответствии с [3] размер динамического диапазона свободного от искажений (SFDR -Spurious-Free Dynamic Range) меняется в интер-
Рис. 5. Принципиальная схема дополнительной платы
Рис. 5 (продолжение). Принципиальная схема дополнительной платы
вале 70-80 дБ в зависимости от выходной частоты 1-70 МГц (при опорной частоте 180 МГц). Для достижения таких показателей, по-видимому, нужна очень тщательная работа по экранировке ПЦСЧ, фильтрации питания и т. д. На нашей плате весь акцент по снижению шумовых составляющих был перенесен на выбор схемы усилителя, подключенного к выходу AD9851. Была использована двухтактная схема, которая, как известно, имеет высокую степень подавления четных гармоник. Два усилителя на дискретных элементах по данной схеме (на рис. 5 - это усилитель-фильтр 1 и усилитель-фильтр 2) позволили достичь SFDR не хуже 60-65 дБ (данные получены с помощью цифрового спектроанализатора «GW INSTEK SPECTRUM ANALIZER GSP-810 1000MHz»).
Схема выработки тестового импульса основана на микросхеме модулятора - ADG721 (DD13, два КМОП-ключа в одном корпусе). На затвор первого ключа подается модулирующий импульс передатчика (s20), на затвор второго - тестовый импульс (inint_range). На вход обоих ключей поступает сигнал возбудителя передатчика, а выходы объединяются, таким образом, на выходе модулятора получаем два радиоимпульса, сдвинутые относительно друг друга на заданный интервал времени.
Проверка методики повышения высотного разрешения
Проверка заключалась в подаче тестового зондирующего импульса, задержанного относительно модулирующего («излученного»), на вход приемника Р-399. Тестовый импульс (сигнальный провод тй_га^е, вырабатываемый в СБИС ПЛ) может быть задержан относительно модулирующего импульса передатчика в интервале 0-4 мс с шагом 27,7 нс (или 4,165 м). Такой шаг по времени (высоте) с запасом превышает точность регистрирующей части комплекса. С помощью КМОП-ключа (ADG721), управляемого сигналом тй_га^е, создается радиосигнал, подаваемый на вход приемника.
В ходе эксперимента создавалась «искусственная» тестовая ионограмма из 400 «излученных» тестовых импульсов, где каждый последующий импульс был сдвинут относительно предыдущего на 0,1 км. Таким образом, общий рост высоты для одной тестовой ионограммы составил 40 км. Величина среднеквадратичного отклонения, определенная по всем 400 значениям (на множестве тестовых ионограмм), от точных значений составила величину 0,197 км, что, примерно, в три раза хуже теоретического предела (~70 м) для использованной аппаратуры [1]. Применяя
Рис. 6. Ионограмма, получаемая с помощью ионозонда «Циклон»
современные, более скоростные АЦП можно дополнительно повысить точность. Анализ нашей аппаратуры показал, что основным источником ошибок являются шумы на входе платы сбора информации E-440.
В результате выполненной работы по совершенствованию аппаратных средств были разработаны и изготовлены схемы системы управления ионозондом (управляемые через шину PCI). В новой системе управления использованы современные цифровые синусосинтезирующие микросхемы, обеспечивающие скорость и надежность работы. Основная часть управляющей схемы, в т. ч. и PCI-порты, размещена в микросхеме СБИС ПЛ путем конфигурации последней с помощью САПР. Кроме повышения надежности это дает возможность смены схемы блока управления без проведения каких-либо работ по перепайке элементов.
Система, позволяет реализовать не только обычное зондирование, но и методику повышения точности определения действующей высоты методом наибольшего правдоподобия в спектральной области. На тестовом сигнале достигнута точность 197 м, которая не является предельной, если применять более быстродействующие АЦП. Предлагаемый вариант определения временных задержек с повышенной точностью на основе метода наибольшего правдоподобия может быть использован на любой аппаратуре, измеряющей временные задержки.
Система управления ионозондом «Циклон» тестировалась на протяжении двух месяцев. Все спроектированные блоки и схемы показали свою работоспособность. Система работает в круглосуточном автоматическом режиме в течении 8 месяцев. Ежеминутно снимаются высотно-частотные характеристики ионосферы или ионограммы, пример одной из которых приведен на рис. 6.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Akchurin, A.D. Improved precision of virtual height measurements with coherent radio pulse sounding based on the maximum likelihood method [Текст]/ A.D. Akchurin, V.V. Bochkarev, E.Yu. Ryabchenko [et al.]//Advance in Space Research.-2009 (doi:10.1016/j. asr.2008.07.020)
2. Акчурин, А.Д. Повышение высотного раз-
решения импульсного ионозонда при зондировании когерентными импульсными сигналами [Текст]/ А.Д. Акчурин, В.В. Бочкарев//Ученые записки КГУ -2008.-Т.150.-Кн.3.-С.5-12.
3. Техническое описание микросхемы AD9851 [Электронный ресурс] http://www.analog.com/static/ imported-files/data_sheets/AD9851.pdf)
УДК 519.8
В.А. Матвеев
ИССЛЕДОВАНИЕ КОНУСНОЙ ОПТИМАЛЬНОСТИ В МНОГОКРИТЕРИАЛЬНОЙ ДИНАМИЧЕСКОЙ ЗАДАЧЕ
В сложных технических, производственных, социально-экономических и других системах крайне важным является выработка алгоритма последовательного или позиционного принятия решений. Любые методы, которые помогают человеку лучше понять, как меняются его предпочтения и доступные ресурсы в процессе функционирования системы, являются полезными, а иногда - и просто неоценимыми. Но в большинстве задач управления представлены «мгновен-
ные, статические» конфликтные проблемы [1, с. 81-140]. В них не учитывается изменение объекта управления с течением времени. Это относится и к многокритериальным задачам. Однако в большинстве реальных задач с течением времени изменяется и сама управляемая система и предпочтения ЛПР (лица, принимающего решение), ибо «все течет, все движется и ничего не остается неизменным» [2, с. 214-219]. Процессы, в которых учитываются изменения, связанные с возрастани-
