Особенности многоканальных измерительных систем
Реальные измерительные системы как правило имеют большое количество измерительных каналов, которые должны работать одновременно. Необходимость совмещать во времени процессы опроса многих датчиков, преобразование отсчетов в цифровую форму и ввод их в ЭВМ требуют решения на системном уровне задачи общей синхронизации и оптимизации временных параметров. Предполагается, что система имеет несколько независимых измерительных каналов (скажем N), каждый из которых осуществляет равномерный опрос сигналов датчиков с некоторой частотой дискретизации FДk, где k =1,2,…, N - номер измерительного канала. В общем случае все эти частоты дискретизации могут быть разными и назначаются они исходя из заданной точности восстановления или иной обработки в каждом отдельном канале. На системном уровне рассмотрения данного случая можно выделить две важнейшие задачи: - составление программы опроса датчиков; - выбор метода коммутации и места постановки АЦП. Задача составления программы опроса (циклограммы) заключается в следующем. Задан набор частот дискретизации { FДk }, k =1,2,…, N, который определяет расположение во времени совокупности отсчетов в каждом измерительном канале. При совмещении сеток временных отсчетов всех каналов практически неизбежны коллизии в виде наложения друг на друга моментов взятия отсчетов в разных каналах. Требуется путем внесения минимальных изменений в сетки временных отсчетов в каждом канале добиться отсутствия таких коллизий. Изменения в сетках отсчетов должны быть такими, чтобы погрешности восстановления в измерительных каналах при этом не увеличились. В связи с этим, допустимыми изменениями являются относительный сдвиг по времени сеток отсчетов в разных каналах и изменение частот опроса в сторону их увеличения. Уменьшать частоты дискретизации нельзя, так как при этом погрешности восстановления увеличатся, что, как правило, недопустимо. Последний способ является более радикальным (позволяет всегда устранить коллизии циклограммы), однако он сопряжен с увеличением некоторых частот дискретизации, что, в конечном счете, оплачивается избыточностью по информационному потоку на входе системы. Проблема построения бесконфликтной циклограммы существенно "усугубляется" в тех случаях, когда данные, поступающие со всех измерительных каналов, подвергаются совместной обработке, которая привносит дополнительные ограничения на моменты взятия отсчетов в различных каналах и их взаимную синхронизацию. Такая ситуация характерна для задач обработки многомерных пространственно-временных данных, что имеет место в системах обработки сигналов от антенных решеток (гидроакустика, акустическая томография) и изображений (цифровая голография, обработка телевизионных изображений, распознавание образов и т.п.). В этих случаях точки взятия пространственно-временных отсчетов обычно существенно привязаны к алгоритмам обработки и должны назначаться в рамках общего процесса оптимизации алгоритмов обработки с учетом особенностей их программно-аппаратной реализации. Для решения второй задачи по выбору метода коммутации и места постановки АЦП также существуют различные способы, из которых мы остановимся на двух крайних случаях, как наиболее характерных и порождающих две типовые структуры измерительных каналов: - один АЦП плюс аналоговый коммутатор на его входе (рис. 2.4); - много АЦП плюс цифровой коммутатор (мультиплексор) (рис. 2.5). На рисунках представлены обозначения элементов схем: Ф - преддискретизационный фильтр, СВХ – схема (устройство) выборки-хранения.
Рисунок 2.4 - Многоканальная измерительная система со структурой «один АЦП + аналоговый коммутатор»
Рисунок 2.5 - Многоканальная измерительная система со структурой типа «много АЦП + цифровой коммутатор»
Структура «один АЦП + аналоговый коммутатор» (рис. 2.4) может показаться более естественной, особенно если учесть, что исторически первые цифровые измерительные системы создавались в условиях, когда стоимость АЦП многократно превосходила стоимость аналогового коммутатора. Однако, такая структура обладает и недостатками, среди которых наиболее существенные - неизбежные погрешности в аналоговом коммутаторе и повышенные требования к быстродействию АЦП, так как он стоит в точке слияния информационных потоков от всех каналов. Такая структура может оказаться целесообразной для недорогих систем с невысокими требованиями к точности преобразования данных и с относительно небольшим количеством измерительных каналов. Структура «много АЦП + цифровой коммутатор» (рис. 2.5) на первых порах рассматривалась как расточительная (поскольку нужно много "дорогих" АЦП), однако с развитием микроэлектроники и удешевлением интегральных микросхем стала все чаще оказываться весьма практичной, особенно если принять во внимание основное ее преимущество – отсутствие погрешностей в цифровом коммутаторе. Кроме того, в этом случае каждый АЦП работает в менее напряженном, с точки зрения быстродействия, режиме.
|
