Обобщенная структура информационно-измерительных систем

Лекция 2

Информационно-измерительные системы

Вопрос 1.

Обобщенная структура информационно-измерительных систем

 

Измерительно-информационная система (ИИС) – это совокупность функционально объединенных измерительных, вычислительных и других вспомогательных технических средств, для получения измерительной информации, ее преобразования, обработки с целью представления потребителю в требуемом виде, либо автоматического осуществления логических функций контроля, диагностики, идентификации и др.

В зависимости от выполняемых функций ИИС реализуются в виде измерительных систем, систем автоматического контроля, технической диагностики и др. В свою очередь в зависимости от назначения измерительные системы разделяют на измерительные информационные, измерительные контролирующие, измерительные управляющие системы и др.

Измерительные системы являются разновидностью средств измерений, и на них распространяются все общие требования к средствам измерений. Измерительная система (ИС) – совокупность измерительных, связующих, вычислительных компонентов, образующих вычислительные каналы, функционирующих как единое целое, предназначенная для:

получения информации о состоянии объекта;

компьютерной обработки результатов измерений;

регистрации и индикации результатов измерений;

преобразования этих данных в выходные сигналы системы в разных целях.

Информационно-измерительной системой (ИИС) называется совокупность функционально связанных устройств и программного обеспечения, которая реализует необходимое информационное обслуживание контролируемого объекта, включая автоматизированный сбор, представление, передачу, обработку и хранение измерительной информации.

При этом термины “сбор” и “измерительный” следует трактовать широко с включением процедур сканирования, оцифровки (сигналов и изображений), векторизации и т.д. Если передача данных осуществляется по кабельной линии или радиолинии, то система называется телеметрической или радиотелеметрической.

Информационно-измерительные системы применяют как автономно (сбор, обработка данных о движущихся объектах, внешней среде, биологических объектах), так и в составе различных автоматизированных комплексов, создаваемых в результате интеграции вычислительной и измерительной техники, устройств ввода-вывода и средств связи. Независимо от назначения и конкретного применения общее требование к ИИС состоит в том, чтобы исходная измерительная (чаще всего, аналоговая) информация или сообщения, вводимые (принимаемые) в систему, могли быть восстановлены (или представлены) без искажений. Для большинства современных ИИС обязательным также является требование передачи и обработки информации в реальном масштабе времени.

Одной из основных проблем, которая возникает при разработке и использовании ИИС, являются выбор методов оцифровки и кодирования информации, помехоустойчивых методов передачи-приема информации (если информация передается на большие расстояния). Но нас больше будут интересовать другие проблемы, которые возникают на этапе обработки поступившей информации. Это предварительная обработка данных (сжатие, распаковка, распознавание), качественные характеристики систем, применение алгоритмов обработки и программного обеспечения в конкретных информационно-измерительных комплексах для конечного пользователя.

В соответствии с предметом дисциплины из всего состава функциональных устройств ИИС, образующих информационный тракт системы, рассмотрим только те, которые осуществляют функции сбора, предварительной обработки, представления, передачи и обработки информации. Блок-схема ИИС представлена на рис. 2.1. На вход системы поступает в общем случае аналоговый сигнал S(t), сформированный информационным устройством (или датчиком), являющимся источником данных. Сигнал S(t) рассматривается как реализация случайного процесса. Цепь преобразования данных одного устройства (или датчика) в многоканальной системе образует измерительный канал.

 

 

Рис. 2.1. Обобщенная блок-схема информационно-измерительного комплекса

 

В блоке подготовки сигнал подвергается предварительной аналоговой обработке – согласование, усиление (приведение амплитуды к динамическому диапазону устройства выборки и хранения – УВХ), полосовая фильтрация (ограничение полосы частот сигналов для корректной оцифровки).

Поскольку подсистема обработки в ИИС является цифровой системой, то каждый сигнал подвергается процедуре аналого-цифрового преобразования в модуле АЦП. Последовательность отсчетов от различных измерительных каналов объединяется в общий поток для последующего ввода в компьютер или передачи по каналу связи. В ряде случаев могут применяться устройства сжатия данных (либо сжатие осуществляется после ввода данных в компьютер – программные методы сжатия). Состав и последовательность расположения функциональных устройств в различных ИИС может отличаться от приведенной в блок-схеме, но характерным является наличие данных устройств как типовых в системах различного назначения и технического воплощения.

Подсистема передачи включает кодер и декодер канала связи, передающее и приемное устройства и собственно канал связи (среда с антенными устройствами). Кодер и декодер осуществляют помехоустойчивое кодирование и декодирование сигналов с целью дополнительной защиты передаваемых сообщений от помех в канале связи и могут отсутствовать при наличии качественного канала.

Восстановление исходного аналогового сообщения по цифровым отсчетам с допустимой погрешностью производится на приемной стороне. В современных системах восстановление непрерывного сообщения, как правило, не выполняется, поскольку регистрация, хранение и обработка информации выполняются в цифровом виде, но принципиальная возможность восстановления предусматривается.

Одна из задач подсистемы цифровой обработки, которая выполняется с использованием ресурсов компьютера и специализированных процессоров цифровой обработки – сортировка информации и отбраковка аномальных результатов наблюдений. Отбраковка является частным случаем более общей задачи – фильтрации сигналов от помех или использования методов распознавания образов. Другими задачами подсистемы обработки являются:

· предварительная обработка данных (сглаживание, удаление тренда);

· статистическая обработка сигналов (применяются различные алгоритмы в зависимости от назначения ИИС);

· спектральная обработка (разные методы в зависимости от назначения ИИС);

· формирование моделей процессов и явлений;

· представление результатов предварительной обработки или анализа;

· хранение данных.

Система сбора данных осуществляет функцию преобразования первичных выходных сигналов от одного или нескольких измерительных преобразователей в эквивалентные цифровые сигналы, пригодные для дальнейшей обработки, отображения информации или использования в системах управления. Диапазон применений систем сбора данных исключительно широк – начиная с простого текущего контроля значений одной аналоговой переменной и кончая контролем и управлением сотней параметров в ядерных агрегатах. Соответственно существуют как очень дешевые системы сбора данных прямого преобразования, так и сложные многоканальные системы, обеспечивающие очень высокую точность и надежность.