Введение к работе
Актуальность темы
В настоящее время все более повышается роль автоматизации измерений в технических системах. В качестве основных тенденций можно упомянуть развитие телекоммуникаций, систем непрерывного контроля объектов промышленности, энергетики, транспорта и ЖКХ. Увеличение числа контролируемых объектов и их энергопотребления, расширение телекоммуникационных сетей и связанное с ним увеличение уровня электромагнитных помех формируют комплекс проблем по обеспечению точного и помехоустойчивого измерения физических величин, служащих для автоматизированного контроля объектов и систем.
С учетом развития микроэлектронной отрасли имеется возмож
ность создания интегральных микросхем с высокой степенью инте
грации компонентов, образующих в совокупности систему на кри
сталле (СНК). Развитие элементной базы микроэлектронных систем
делает предпочтительным достижение высоких технико-
экономических показателей путем применения высокопроизводительных методов обработки измерительной информации вместо экстенсивного улучшения характеристик аналоговых цепей. Преимущества подхода, ориентированного на цифровую обработку измерительной информации, основаны на том, что существующая тенденция постоянного повышения производительности цифровой части СНК позволяет ориентироваться на высокопроизводительные платформы, которые могут реализовать алгоритмы с большой вычислительной сложностью. Важным направлением повышения производительности является использование параллельных вычислительных структур.
С учетом многообразия подходов к проектированию цифровых систем, для получения эффективного решения необходимо выделить класс решаемых такими системами задач, конкретизировав таким образом технические требования. При наличии единообразных подходов к обработке измерительной информации архитектура и основные узлы вычислительных устройств могут быть специализированы для выполнения характерных для обработки измерительной информации задач. Ввиду этого предлагается использовать понятие «специализированный вычислительный комплекс» (СВК), рассматривая при этом комплексы, специализированные для решения задач статистической обработки измерительной информации.
В настоящее время для статистической обработки используется в основном оценка по среднему арифметическому значению выборки с использованием центрального момента второго порядка (дисперсии) для определения абсолютной ошибки. Оценка по среднему арифметическому является общепризнанной методикой обработки результатов многократных измерений, однако ее использование следует считать корректным только для симметричных распределений случайных величин. Практически чаще всего используют гауссовское (нормальное) распределение, хотя, как показывают исследования, отнюдь не абсолютное большинство измерительных процессов дает распределение результатов измерений, подчиняющееся этому закону. Способы оценки интервала распределения (например, по центральным моментам различного порядка) зависят от конкретного вида закона распределения.
Таким образом, для повышения эффективности измерительных устройств целесообразно рассмотреть алгоритмы обработки информации, которые обеспечивали бы улучшение их технико-экономических и эксплуатационных характеристик и при этом ориентировались на параллельные вычислительные архитектуры, позволяя использовать возможности, предоставляемые микроэлектронной элементной базой для создания специализированных вычислительных комплексов.
Цель работы заключается в создании научных основ разработки специализированных вычислительных комплексов, повышающих эффективность измерительных устройств путем реализации помехоустойчивой статистической обработки измерительной информации. Задачи работы заключаются в:
разработке подхода к проектированию измерительных устройств, предусматривающего комплексное улучшение технико-экономических показателей за счет применения помехоустойчивых методов статистической обработки результатов измерений;
создании помехоустойчивого метода статистической обработки результатов измерений физических величин и методик его применения;
разработке специализированных вычислительных архитектур для статистической обработки результатов измерений в измерительных устройствах;
внедрении научных положений диссертации в практических разработках.
Объект исследования: специализированные вычислительные комплексы, предназначенные для помехоустойчивой статистической обработки измерительной информации.
Предмет исследования: методы реализации специализированных вычислительных комплексов для помехоустойчивой статистической обработки измерительной информации.
Методы исследований
При выполнении работы использовались теоретические и экспериментальные методы исследования. Теоретические исследования выполнялись на основе теории вероятностей, теории многомасштабного анализа, математической и прикладной статистики, компьютерного моделирования. В экспериментальных исследованиях использовались макетирование и натурный эксперимент.
Научная новизна диссертационной работы заключается в следующем:
предложен метод реализации специализированных вычисли
тельных комплексов для помехоустойчивой статистической обработ
ки результатов измерений с целью улучшения технико-
экономических показателей измерительных устройств;
сформулированы критерии эффективности вычислительных комплексов с параллельностью на уровне потоков данных, основанные на оценке эффективности использования подсистемы памяти и транзакций на уровне регистровых передач;
создан помехоустойчивый метод статистической обработки результатов измерений физических величин, основанный на использовании функций распределения вероятности с переменным масштабом;
разработан способ оценки параметров зависимостей, приближающих экспериментальные данные, основанный на использовании функций распределения вероятности с переменным масштабом.
Практическая ценность диссертационной работы заключается в следующем:
предложены подходы к организации измерений с использованием помехоустойчивой статистической обработки результатов измерений физических величин;
предложена методика повышения эффективности измерительных устройств, использующих помехоустойчивую статистическую обработку результатов измерений;
разработана архитектура вычислительного комплекса для статистической обработки результатов измерений в измерительных и управляющих системах;
разработана последовательность проектирования цифровых устройств обработки измерительной информации класса «Система на кристалле», предназначенная для реализации многопроцессорных архитектур;
внедрены учебные курсы по проектированию вычислительных комплексов на базе процессорных систем.
Результаты, полученные в ходе выполнения диссертационной работы, используются в учебном процессе и научных исследованиях кафедры физики ФБГОУ ВПО «Ковровская государственная технологическая академия имени В.А. Дегтярева», подразделения ФБГОУ ВПО «Московский государственный технический университет радиотехники, электроники и автоматики»«Центр проектирования интегральных схем, устройств наноэлектроники и микросистем», были применены в процессе выполнения г/б НИР «Исследование реологических, термодинамических и молекулярно-кинетических характеристик жидкостей при времени воздействия на них, соизмеримом с временем релаксации жидкостей» (номер госрегистрации 01.940.002021), выполненной на кафедре физики ФГБОУВПО «Ковровская государственная технологическая академия им. В.А. Дегтярева», применяются в производственной практике ЗАО «Прибор РСТ» (г. Ковров), ОАО «Зеленоградский инновационно-технологический центр», ЗАО «ИДМ-Плюс» (г. Зеленоград), ЗАО «НПО «Электрум» (г. Санкт-Петербург), ООО «НПП «Диатранс» (г. Москва), в исследовательских и опытно-конструкторских работах ОАО «НИИ Теплоприбор» (г. Москва), КБ «Арматура» - филиала ГУП ГКНПЦ им. М.В, Хруниче-ва, ЗАО «НПО «Измерительные системы» (г. Ковров). Результаты работы были использованы при выполнении исследований в рамках участия в международных программах Europractice (регистрационный номер A47420, 1999-2001 гг.)и REASON (Research and Training Action for System on Chip Design) (регистрационный номер IST - 2000 -30193, 01.12.2002 – 15.12.2004); при выполнении ОКРпо теме «Разработка архитектуры и основных компонентов унифицированной параметризованной платформы для высокопроизводительных «систем-на-кристалле» шифр 2007-9-2.7-00-01-003 (основание для проведения ОКР - решение Конкурсной комиссии Роснауки № 24 протокол № 6 от 24 августа 2007 г.).
Разработанные учебно-методические материалы используются в авторизованном учебном центре ЗАО «КТЦ «Инлайн Груп» (г. Москва) при оказании информационно-консультационных услуг по применению программируемых логических интегральных схем фирмы Xilinx.
Результаты диссертационной работы внедрены в учебный процесс на кафедре физики КГТА им. В.А. Дегтярева в лекционных курсах и лабораторных практикумах по дисциплинам «Физические основы измерений», «Физические основы получения информации», «Статистические методы обработки результатов измерений».
Материалы диссертации опубликованы в тезисах докладов на международных и всероссийских конференциях в гг. Москва, С.Петербург, Н. Новгород, Владимир, Ковров, Новочеркасск, Геленджик, Барнаул, в статьях в центральной печати и в двух монографиях. Всего по материалам диссертации имеется 44 публикации, из них 16 – статьи, опубликованные в журналах, рекомендуемых ВАК для публикации основных результатов диссертационных работ на соискание ученой степени доктора наук.
Структура и объем работы
Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения и приложения, содержащего документы об использовании основных результатов работы.
