Устройство преобразования данных измерений

 

Изобретение относится к телеметрии и может найти применение при измерениях быстроменяющихся параметров, например вибрации, когда достоверность априорной оценки диапазонов измерений низка, а пропускная способность каналов ограничена. Для этого исходят из особенностей обработки данных измерений быстроизменяющихся параметров, заключающейся в получении интегральных характеристик, осуществляют избыточное первоначальное квантование сигналов по уровню для обеспечения измерений в широком диапазоне, выделяют минимальное и максимальное значения на интервале преобразования, осуществляют преобразование , где U_ijвых вых (U_ij - текущее значение j-го измерения i -го параметра после (до) преобразования, U_i мин (U_i макс) - минимальное (максимальное) значение изменения i-го датчика на интервале преобразования, К_п - число уровней квантования преобразованного измерения; выдают текущие преобразованные значения измерений меньшей, чем первоначальная, разрядности, выдают экстремальные на интервале преобразования значения измерений с разрядностью, совпадающей с первоначальной. 2 ил.

Изобретение относится к телеметрии и может быть использовано при измерениях быстроменяющихся параметров (например, вибрации), когда достоверность априорной оценки диапазонов измерений низка, а пропускная способность каналов ограничена.

Известно устройство для аналого-цифрового преобразования, используемое для преобразования быстроменяющихся аналоговых сигналов в цифровой код, в котором адаптивно осуществляется выбор поддиапазона, кодируемого двумя старшими разрядами [1] Недостатком устройства является присвоение номера поддиапазона каждому измерению при небольшом количестве поддиапазонов (как в приведенном аналоге) нельзя обеспечить измерение в широком диапазоне, а при увеличении количества поддиапазонов возрастает объем выходных данных измерений.

Известен аналого-цифровой преобразователь, исключающий избыточность выходных данных путем выдачи значений измерения и временного интервала, в течение которого значения измерений одинаковы [2] Очевидно, данный преобразователь не обеспечит малого объема выходных данных при измерениях быстроменяющихся параметров.

Наиболее близким к заявляемому является устройство для сжатия телеметрической информации, содержащее синхронизатор, цифровой узел с блоком квантования и временной дискретизации, блоком сравнения и интегратором, анализатор знаков с блоком задержки и группами формирователей сигналов, логических элементов И и ИЛИ [3] В устройстве осуществляют сжатие выходных данных измерений, для чего вычисляют разностные значения текущих измерений и интегрированных, обозначают соответствующими полученным приращениям сигналами временные интервалы, причем число возможных значений сигнала ровно четырем.

Это устройство эффективно для изменяющихся линейно и медленно параметров и приемлемо для быстроменяющихся параметров из-за низкой точности.

Технический результат изобретения выражается в исключении избыточности выходных данных о быстроменяющихся параметрах при осуществлении измерений в широком диапазоне.

Технический результат достигается тем, что в устройство дополнительно введены формирователь адреса, дешифратор, линия задержки, селектор минимальных значений, два запоминающих блока, два блока линии задержки, мультиплексор, RS триггер, три вентиля и преобразователь разрядов, причем входом устройства являются шины первого входа блока квантования и временной дискретизации, второй вход которого объединен с выходной шиной опорных импульсов синхронизатора, первым входом формирователя адреса и управляющим входом второго вентиля, третий вход с выходной шиной маркерных импульсов синхронизатора, вторым входом формирователя адреса и через линию задержки с первым входом RS-триггера, а выходные шины с первыми входами селекторов минимальных и максимальных значений измерений и блока задержки данныхю.

Выходная шина прореженных опорных импульсов синхронизатора подключена к управляющему входу третьего вентиля.

Выходные шины данных о номере датчика формирователя адреса подключены к первым входам первого запоминающего блока и первого блока линии задержки, второму входу блока задержки данных, четвертому входу первого вентиля и к части входных шин дешифратора, к оставшейся части входных шин которого подключены выходные шины данных о номере измерения формирователя адреса, а выходная шина подключена ко второму входу RS-триггера, выход которого подключен к первым (управляющим) входам мультиплексора и первого вентиля.

Выходные шины данных текущих минимальных значений измерений первого запоминающего блока подключены ко второму входу селектора минимальных значений измерений, а выходные шины данных текущих максимальных значений измерений ко второму входу селектора максимальных значений измеренийю.

Выход селектора минимальных значений измерений подключен ко вторым входам мультиплексора и первого вентиля, к третьим входам которых подключен выход селектора максимальных значений измерений, четвертый и пятых входы мультиплексора подключены к источникам постоянного напряжения, уровни которых совпадают с уровнями напряжений разрядов весом соответственно "1" и "0", причем шины второго и третьего входов мультиплексора составляют первую группу входных шин, шины четвертого и пятого входов вторую группу входных шин, а выходные шины мультиплексора, принадлежащие его первому выходу, соответствуют шинам второго и четвертого его входов, а принадлежащие его второму выходу, соответствуют шинам третьего и пятого его входов, первый и второй выходы мультиплексора соединены соответственно со вторым и третьим входами первого блока линии задержки, шины первого, второго и третьего входов первого блока линии задержки через линии задержки блока подключены соответственно к его первому, второму и третьему выходам, которые соединены соответственно со вторым, третьим и четвертым выходами первого запоминающего блока.

Выходные шины блока задержки данных соединены со входными информационными шинами второго вентиля, информационные шины второго, третьего и четвертого входов первого вентиля соответствуют его первому, второму и третьему выходам, подключенным к одноименным входам второго блока линии задержки, шины которых через линии задержки блока подключены к его одноименным выходам, подключенным, в свою очередь, к одноименным входам второго запоминающего блока, четвертый вход которого соединен с выходными шинами данных о номере датчика второго вентиля.

Выходные шины данных измерений второго вентиля соединены со вторым входом преобразователя разрядов, выход второго запоминающего блока подключен к первым входам преобразователя разрядов и третьего вентиля, выход которого является первым выходом устройства, причем в преобразователе разрядов осуществляется обработка данных по формуле где U_ijвых(U_ij) текущее значение j-го измерения i-го датчика после (до) преобразования, U_iмин(U_iмакс) минимальное (максимальное) значение измерения i-го датчика на интервале преобразования, К_п число уровней квантования преобразованного измерения,
причем обеспечивается выполнение условия
К_п< К_и,
где К_и число уровней квантования исходного измерения, выход преобразователя разрядов является вторым выходом устройства.

Структурная схема устройства представлена на фиг. 1.

Устройство содержит блок 1 квантования переменной дискретизации, синхронизатор 2, формирователь 3 адреса, дешифратор 5, линии задержки 6, селектор 7 минимальных значений измерений, селектор 8 максимальных значений измерений, блок 9 задержки данных, запоминающие блоки 10 и 17, блоки 11 и 16 линии задержки, мультиплексор 12, RS-триггер 13, вентили 14, 15 и 4 и преобразователь 18 разрядов.

Входом устройства являются шины первого входа блока 1 квантования и временной дискретизации, второй вход которого объединен с выходной шиной опорных импульсов синхронизатора 2, первыми входом формирователя 3 адреса и управляющим входом второго вентиля 15, третий вход с выходной шиной маркерных импульсов синхронизатора 2, вторым входом формирователя 3 и через линию задержки 6 с первым входом RS-триггера 13, а выходные шины с первыми входами селекторов 7 и 8 и блока 9 задержки данных. Выходная шина прореженных опорных импульсов синхронизатора 2 подключена к управляющему входу третьего вентиля 4.

Выходные шины данных о номере датчика формирователя 3 адреса подключены к первым входам первого запоминающего блока 10 и первого блока 11 линии задержки, второму входу блока 9, четвертому входу первого вентиля 14 и к части входных шин дешифратора 5, к оставшейся части входных шин которого подключены выходные шины данных о номере измерения формирователя 5 адреса, а выходная шина подключена ко второму входу RS-триггера 13, выход которого подключен к первым (управляющим) входам мультиплексора 12 и вентиля 14. Выходные шины данных текущих минимальных значений измерений блока 10 подключены ко второму входу селектора 7, а выходные шины данных текущих максимальных значений измерений ко второму входу селектора 8.

Выход селектора 7 подключен ко вторым входам мультиплексора 12 и вентиля 14, к третьим входам которых подключен выход селектора 8. Четвертый и пятый входы мультиплексора 12 подключены к источникам постоянного напряжения, уровни которых совпадают с уровнями напряжений разрядов весом соответственно "1" и "0". Причем шины второго и третьего входов мультиплексора 12 составляют первую группу входных шин, шины четвертого им пятого входов вторую группу входных шин, а выходные шины мультиплексора 12, принадлежащие его первому выходу, соответствуют шинам второго и четвертого его входов, а принадлежащие его второму выходу, соответствуют шинам третьего и пятого его входов.

Первый и второй выходы мультиплексора 12 соединены соответственно со вторым и третьим входами блока 11. Шины первого, второго и третьего входов блока 11 через линии задержки блока подключены соответственно к его первому, второму и третьему выходам, которые соединены соответственно со вторым, третьим и четвертым входами блока 10. Выходные шины блока 8 соединены со входными информационными шинами вентиля 15.

Информационные шины второго, третьего и четвертого входов вентиля 14 соответствуют его первому, второму и третьему выходам, подключенным к одноименным входам второго блока 16 линии задержки, шины которых через линии задержки блока подключены к его одноименным выходам, подключенным, в свою очередь, к одноименным входам блока 17, четвертый вход которого соединен с выходными шинами данных о номере датчика второго вентиля 15. Выходные шины данных измерений вентиля 15 соединены со вторым входом преобразователя 18 разрядов. Выход блока 17 подключен к первым входам преобразователя 18 и третьего вентиля 4, выход которого является первым выходом устройства. Выход преобразователя 18 является вторым выходом устройства.

Существенные отличия предложенного устройства состоят в том, что в нем осуществляют аналого-цифровое преобразование, обеспечивающее высокую точность измерений в широком диапазоне; селектируют экстремальные значения измерений параметров на интервале преобразования, являющиеся выходными данными о пределах измерений для всего интервала преобразования и имеющие относительно малый объем; определяют принадлежность каждого значения измерения параметра к одному из уровней между его экстремальными значениями измерения, причем разрядность данных о номере уровня меньше первоначальной разрядности значений измерений, но вполне допустима ввиду особенностей обработки быстроменяющихся параметров. В конечном итоге обеспечивают высокую точность измерений быстроизменяющихся параметров в широком диапазоне, устранив информационную избыточность выходных данных.

Устройство работает следующим образом.

На первый вход блока 1 квантования и временной дискретизации, являющийся входом устройства, поступают сигналы опрашиваемых циклически датчиков. Первоначальная разрядность заложена в аналого-цифровом преобразователе блока 1, циклограмма работы которого задаeтся опорными и маркерными импульсами, поступающими соответственно на второй и третий входы блока 1 с первого и второго выходов синхронизатора 2. Опорный импульс является признаком данного измерения, а маркер обозначает границу интервала преобразования, совпадает с последним на интервале преобразования данным последнего из опрашиваемых датчиков. Синхроимпульсы с первого и второго выходов синхронизатора 2 поступают также на входы формирователя 3 адреса, которым может быть двоичный счетчик, на счетный вход которого подаются опорные импульсы, установление нуля осуществляется маркером, а выходные сигналы стробируются опорными импульсами. Если число опрашиваемых датчиков равно 2 (n-целое число), то младшие разряды адреса содержат данные о номере датчика, а старшие о номере его измерения.

В начале цикла работы устройства, цель организации которого состоит в селекции экстремальных данных, задержанным линией задержки 6 на часть периода следования опорных импульсов маркерным импульсом, поступившим со второго выхода синхронизатора 2 на первый вход RS-триггера 13, изменяется состояние RS-триггера 13. Сигналом с выхода RS-триггера 13 запирается первый вентиль 14 и изменяется режим работы мультиплексора 12 таким образом, что сигналы с его второго и третьего входов, образующие единую структуру, поступают на выход.

С выхода блока 1 данные, начиная с первого датчика первого измерения, в двоичном коде, сопровождаемые опорными импульсами (фиг.2а), поступают одновременно на первые входы селектора 7 минимальных значений измерений, селектора 8 максимальных значений измерений и блока 9 задержки данных. Также одновременно на первые входы первого запоминающего блока 10 и блока 11 линии задержки поступают адресные данные о номере датчика, инициируя появление данных на выходе блока 10 (фиг. 2б), передаваемых на вторые входы селекторов 7 и 8.

Данные текущих минимального и максимального значения измерений датчика упакованы в одно слово и занимают одну ячейку памяти в блоке 10, номер которой соответствует номеру датчика. При поступлении данных первых измерений датчиков на первые входы селекторов 7 и 8 на их вторые входы поступают данные с выхода блока 10 (фиг. 2в), причем значения всех разрядов для селектора 7 имеют вес "1", а для селектора 8-"0". Таким образом, первое поступившее в селектор 7 слово сравнивается с "единичным" словом, а поступившее в селектор 8 с "нулевым". При этом на выход селекторов 7 и 8 поступит входное слово и через блок 11 линий задержки на второй, третий и четвертый входы блока 10, в его память. Блоком 11 линий задержки сигналы, поступившие на его входные шины, задерживаются на часть периода следования опорных импульсов. В дальнейшем из памяти блока 10 выводится текущее экстремальное данное для сравнения в селекторах 7 и 8 и заменяется новым через время задержки блока 11.

При поступлении адреса последнего данного первого датчика с выхода формирователя 3 адреса на вход дешифратора 5 на выходе дешифратора 5 возбуждается импульсный сигнал, передаваемый на второй вход RS-триггера 13 и изменяющий его состояние, сигналом с выхода RS-триггера 13 изменяется режим работы мультиплексора 12 и открывается вентиль 14. На выход мультиплексора 12 поступают сигналы его четвертого и пятого входов, образующие единую структуру и имеющие соответственно "единичные" и "нулевые" уровни, передаваемые затем на второй и третий входы блока 11 линии задержки. Одновременно на первые входы блоков 10 и 11 поступает адрес первого датчика (в момент выдачи блоком 1 последнего данного первого датчика). Из блока 10 выводится текущее экстремальное данное, минимальная и максимальная его составляющие поступают на вторые входы селекторов 7 и 8 соответственно, на первые входы которых поступает последнее данное первого датчика с выхода блока 1. Экстремальные данные поступают на второй и третий входы вентиля 14, дополняются данными о номере датчика, поступающий на четвертый вход вентиля 14 и через открытый вентиль 14 поступают через блок 16 линий задержки на входы второго запоминающего блока 17 и заносятся в его память. В момент занесения экстремального данного первого датчика в память блока 17 в память блока 10 заносятся слова, в разрядах которых, соответствующих коду текущего минимального значения, содержатся "единицы", а соответствующих коду текущего максимального значения измерений "нули". После выдачи последнего данного последнего датчика блоком 1 экстремальные данные всех датчиков находятся в памяти блока 17, а все ячейки памяти блока 10 содержат слова, разряды которых, соответствующие коду текущего минимального значения измерений, "единичные", а соответствующие коду текущего максимального значения измерений "нулевые", в ходе вывода которых на выходе блока 16 образуется структура, представленная на фиг. 2в.

На этом цикл работы устройства, заключающийся в селекции экстремальных данных, заканчивается.

Далее начинается цикл преобразования данных.

Задержанные на период следования маркерных импульсов данные, сопровождаемые данными о номере датчика, поступают на входные шины второго вентиля 15, с помощью которого осуществляется стробирование их опорными импульсами, следующими с первого выхода синхронизатора на управляющий вход вентиля 15.

С выхода вентиля 15 на четвертый вход блока 17 поступают данные о номерах датчиков, инициируя на выходе блока 17 появление данных, структура которых представлена на фиг. 2г, передаваемых на первые входы третьего вентиля 4 и преобразователя 18 разрядов.

На управляющий вход вентиля 4 с третьего выхода синхронизатора 2 поступают прореженные опорные импульсы, частотой следования которых определяется выдача экстремальных данных на первый выход устройства, структура которых представлена на фиг. 2 г.

Преобразователем 18 разрядов может быть специализированный микропроцессор. На второй вход преобразователя со второго выхода вентиля 15 поступают данные, структура которых аналогична представленной на фиг. 2а.

В преобразователе 18 осуществляется обработка данных по формуле:

где U_ijвых (U_ij) текущее значение j-го измерения i-го датчика после (до) преобразования.

U_iмин (U_iмакс)- минимальное (максимальное) значение измерения i-го датчика на интервале преобразования.

K_п число уровней квантования преобразованного измерения.

На выход преобразователя 18 и второй выход устройства поступают данные, структура и частота следования которых аналогичны данным на выходе блока 1, но меньшей разрядности (структура данных представлена на фиг. 2д).

При осуществлении устройства, обеспечивая, например, 10-разрядное аналого-цифровое первоначальное преобразование и формируя 4-разрядные выходные данные измерений, возможно 33-кратное превышение максимального диапазона измерении над минимальным, объем выходных данных измерений в 2,5 раза меньше объема непреобразованных данных, что существенно для циклической системы, а для передачи экстремальных данных четырехпозиционным кодом при интервале преобразования 20 мc достаточно двух каналов локального коммутатора сортовой радиотелеметрической системы опросностью 50 Гц.

При совпадении минимального и максимального значений параметра интервала преобразования содержание преобразованных данных не имеет значения.

Интервал обработки данных телеизмерений о быстроменяющихся параметрах в наземной аппаратуре существенно превышает интервал преобразования, заранее однозначно не определен и зависит от стационарности телеметрирующего процесса, что при неодинаковых диапазонах измерений параметра на интервале обработки приведет к необходимости загрубления значений измерений из-за расширения общего (для интервала обработки) диапазона измерений, не снизив, однако, эффективности предложенного устройства.

Таким образом, предложенное устройство позволяет произвести преобразования данных измерений быстроменяющихся параметров, обеспечивающие измерения в широком диапазоне с высокой точностью (что очень существенно при низкой достоверности априорной оценки диапазонов измерений) и с устранением информационной избыточности.

Формула изобретения

Устройство преобразования данных измерений, содержащее блок квантования и временной дискретизации, синхронизатор, блок задержки данных, причем входом устройства являются первый вход блока квантования и временной дискретизации, второй его вход подключен к выходной шине опорных импульсов синхронизатора, выход к первому входу блока задержки данных, отличающееся тем, что в него введены формирователь адреса, дешифратор, элемент задержки, селектор минимальных значений измерений, селектор максимальных значений измерений, запоминающие блоки, блоки элементов задержки, мультиплексор, RS-триггер, первый, второй и третий блоки ключей и преобразователь числа разрядов, причем третий вход блока квантования и временной дискретизации объединен с выходной шиной маркерных импульсов синхронизатора, с первым входом формирователя адреса и через элемент задержки с первым входом RS-триггера, выход синхронизатора подключен к первым входам селекторов минимальных и максимальных значений измерений, выходная шина опорных импульсов синхронизатора соединена с вторым входом формирователя адреса и управляющим входом второго блока ключей, выходная шина прореженных опорных импульсов синхронизатора подключена к управляющему входу третьего блока ключей, адресные выходы формирователя адреса подключены к первым входам первого запоминающего блока и первого блока элементов задержки, второму входу блока задержки данных, первому входу первого блока ключей и к первой группе входных шин дешифратора, к второй группе которых подключены выходы номера измерения формирователя адреса, выход дешифратора подключен к второму входу RS-триггера, выход которого подключен к первому входу мультиплексора и второму входу первого блока ключей, выходные шины данных текущих минимальных значений измерений первого запоминающего блока подключены к второму входу селектора минимальных значений измерений, выходные шины данных текущих максимальных значений измерений к второму входу селектора максимальных значений измерений, выход селектора минимальных значений измерений подключен к второму входу мультиплексора и третьему входу первого блока ключей, к третьему входу мультиплексора и четвертому входу первого блока ключей подключен выход селектора максимальных значений измерений, четвертый и пятый входы мультиплексора подключены соответственно к источникам постоянного напряжения логического "0" и логической "1", первый и второй выходы мультиплексора соединены соответственно с вторым и третьим входами первого блока элементов задержки, выходы которого соединены соответственно с вторым, третьим и четвертым входами первого запоминающего блока, выходы блока задержки данных соединены с входами второго блока ключей, выходы первого блока ключей подключены соответственно к первому, второму и третьему входам второго блока элементов задержки, выходы которого подключены к одноименным входам второго запоминающего блока, четвертый вход которого соединен с первым выходом второго блока ключей, второй выход которого соединен с вторым входом преобразователя числа разрядов, выход второго запоминающего блока подключен к первым входам третьего блока ключей и преобразователя числа разрядов, выходы которых являются соответственно первым и вторым выходами устройства.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2