Исследование функциональных устройств вычислительной техники и систем управления на базе цепных моделей
На правах рукописи
СУХИНЕЦ Жанна Артуровна ИССЛЕДОВАНИЕ ФУНКЦИОНАЛЬНЫХ УСТРОЙСТВ ВЫЧИСЛИТЕЛЬНОЙ ТЕХНИКИ И СИСТЕМ УПРАВЛЕНИЯ НА БАЗЕ ЦЕПНЫХ МОДЕЛЕЙ Специальность 05.13.05 – Элементы и устройства вычислительной техники и систем управления
АВТОРЕФЕРАТ
диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук
Уфа 2006
Работа выполнена на кафедре “Телекоммуникационные системы” Уфимского государственного авиационного технического университета
Научный консультант: д-р техн. наук, профессор СУЛТАНОВ Альберт Ханович Научный консультант:
Официальные оппоненты: д-р техн. наук, профессор Миловзоров Георгий Владимирович канд. техн. наук, доцент Хакимьянов Марат Ильгизович Ведущая предприятие – ОАО БЭТО (г.Уфа)
Защита диссертации состоится “ 26 ” января 2007 г. в 14 часов на заседании диссертационного совета Д- 212.288. при Уфимском государственном авиационном техническом университете по адресу: 450000, г. Уфа, ул. К. Маркса, 12, актовый зал 1 корп..
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Уфимского авиационного технического государственного университета.
Автореферат разослан “ 14 ” _декабря_ 2006 года.
Ученый секретарь диссертационного совета д-р. техн. наук, профессор Г.Н. Утляков
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность темы. Создание современных систем управления тре бует совершенствования как первичных и вторичных преобразователей ин формации, так и всего тракта преобразования, представляющего собой в большинстве случаев цепную однородную, неоднородную и распределенную структуру либо комбинацию их соединений. Основательное исследование «Западноевропейские структурированные кабельные системы», проведенное ассоциацией BSRIA, показало, что совершенствование аналитических мето дов анализа линий и каналов преобразования информации, создания более точных их моделей позволит изменить стандартизованную методику опреде ления максимальной длины канала преобразования и передачи информации, что немаловажно при создании систем управления (СУ).
Все это вызывает к необходимости разработки научных основ исследо вания общих свойств функционирования устройств вычислительной техники (ВТ), СУ и их соединений. Это преобразователи с частотным и фазовым вы ходом, дифференцирующие звенья и линии задержек, цифро-аналоговые преобразователи и делители напряжения, схемы замещения многих элемен тов и устройств СУ, ВТ и линий связи. Однако, традиционные методы анали за подобных структур и их соединений не позволяют с достаточной точно стью учитывать влияние параметров элементов устройств СУ и ВТ, участ вующих в преобразовании информации, на выходные характеристики. Суще ствующие методики моделирования устройств СУ с цепной структурой (ЦС) и построения моделей преобразователей с распределенными параметрами не удовлетворяют современным требованиям точности, что сдерживает разра ботку и проектирование как элементов и устройств, так и СУ в целом.
В связи с этим исследования, направленные на разработку эффектив ных методов и алгоритмов анализа и синтеза как отдельных элементов, так и всего тракта преобразования, представляющего цепную структуру (ЦС), со стоящую из различных устройств СУ, интерфейсов и физической линии свя зи, является актуальной научно-технической задачей.
Целью работы является создание универсальной методики, алгорит мов и программ исследования многообразия элементов и устройств ВТ и СУ с цепной структурой, создания их моделей, позволяющих анализировать весь тракт преобразования информации с позиций функции преобразования.
Задачи исследования.
1. Разработка методику анализа элементов и устройств ВТ и СУ, имеющих однородные, неоднородные и распределенные структуры.
2. Разработка алгоритмов исследования и инженерной методики расче та характеристик функциональных устройств с цепной структурой.
3. Разработка методики синтеза устройств цепной структуры (преобра зователей с частотным и фазовым выходом, линий задержек, ЦАП и т.д.) с сосредоточенными и распределенными параметрами.
4. Исследование влияния параметров нагрузки на выходные характери стики преобразователей с частотным выходом. Диагностика и прогнозирова ние повреждений устройств с однородной и распределенной структурами.
5. Исследование методической погрешности моделирования устройств с распределенными параметрами и разработка методики проектирования устройств с нормированной погрешностью выходных характеристик.
Методы исследования. При решении поставленных задач использова лись теории ТОЭ и электроники, методы континуант, функций преобразова ния и принцип дуальности преобразования, теории рядов и дифференциаль ного исчисления. Применялись методы численного и компьютерного моде лирования. Проведены испытания устройства сопряжения ПЭВМ с иммуно ферментным анализатором крови при создании автоматизированного изме рительно-диагностического комплекса иммуноскрининга с автоматизацией передачи результатов анализа в центр телемедицины Минздрава РБ.
Научная новизна работы заключается в следующем.
1. Разработана методика исследования функциональных устройств ВТ и СУ, имеющих однородную и неоднородную цепную структуру (ЦС), и устройств с распределенными параметрами, позволяющая эффективно ис следовать тракт преобразования информации любой сложности.
2. Разработана методика проектирования функциональных устройств ЦС с заданной погрешностью выходных характеристик, удовлетворяющих условию их взаимозаменяемости при производстве и эксплуатации.
3. Разработаны методики определения выходных частот квазирезонанса преобразователей с RC- и LC- фазирующими четырехполюсниками любой сложности и моделирования устройств СУ с RC- и LC- распределенными па раметрами без методической погрешности.
4. Разработана методика синтеза функциональных устройств с цепной структурой, одновременно удовлетворяющая значениям функции преобразо вания и входного или выходного сопротивления, что позволяет обеспечивать оптимальное согласование устройств, участвующих в последовательной це почке преобразования измерительной информации.
Практическая значимость и внедрение результатов работы.
1. Получены компактные алгоритмы анализа элементов и устройств СУ и ВТ с цепной структурой, отличающиеся малым числом команд при реали зации программы на ПЭВМ.
2. Разработаны инженерные методики расчетов частот RC- и LC- пре образователей, а также активных величин, чувствительности, входных со противлений и коэффициентов преобразования устройств с ЦС. Методики внедрены в учебный процесс при выполнении дипломных и курсовых проек тов, при чтении лекций по дисциплинам «Устройства приема и обработки сигналов» и «Линии связи» в Уфимском государственном авиационном тех ническом университете.
3. Получены оценки погрешностей влияния нагрузки на частоту гене рации преобразователей ЦС с частотным выходом и моделирования уст ройств с распределенными параметрами традиционными методами.
4. Разработаны алгоритмы системы управления автоматизированным измерительно-диагностическим комплексом для иммуноскрининга и устрой ство сопряжения иммуноферментного анализатора крови с ПЭВМ, внедрен ные в учреждения Минздрава РБ.
Основные положения, выносимые на защиту.
1. Методика исследования элементов и функциональных устройств вы числительной техники и систем управления, имеющих однородные, неодно родные и распределенные структуры, а также всего тракта преобразования информации из различных комбинаций подобных структур.
2. Методика моделирования и синтеза преобразователей с частотным и фазовым выходом, линий задержек, ЦАП и других устройств с распределен ными и сосредоточенными параметрами с учетом нормирования погрешно сти выходных характеристик.
3. Алгоритмы исследования функциональных устройств систем управ ления и их моделей, имеющих цепную структуру, в том числе для определе ния частот квазирезонанса RC- и LC-преобразователей любой сложности.
4. Результаты исследования методической погрешности моделирования преобразователей с распределенными параметрами и метод ее устранения.
5. Результаты исследования влияния параметров нагрузки на рабочие характеристики преобразователей с частотным выходом.
Основание для выполнения работы. Работа выполнена на кафедре телекоммуникационных систем УГАТУ в соответствии с Приказом МЗ РФ №344 от 27.08.2001, «Концепция развития телемедицинских технологий в Российской Федерации и план ее реализации» и планом РАМН в вопросах использования и развития телемедицинских технологий, а также по хоздого ворным НИР на темы: «Автоматизированный информационно измерительный и диагностический комплекс для иммуноскрининга» с Мин природы и ЧС РБ в 1995 г.;
«Окружающая среда и здоровье населения РБ» с академией наук РБ № 112/АНБ и АП-КС-13-05-ХГ «Разработка мультиплек сора потоков Е1» с ОАО БЭТО.
Апробация результатов работы. Основные положения и результаты работы докладывались и обсуждались на научных конференциях различного уровня. Среди них:
Международная молодежная научно-техническая конференция «Ин теллектуальные системы управления и обработки информации» г. Уфа, 2001;
Международная молодежная научно-техническая конференция «XXVIII и XXIX Гагаринские чтения» г. Москва, 2002 - 2003;
Всероссийская научная конференция «Проблемы прогнозирования, предупреждения и ликвидации чрезвычайных ситуаций» г.Уфа, 2002;
Третья, Четвертая и Пятая международные научно-технические конфе ренции «Проблемы техники и технологии телекоммуникаций» г.Уфа г. Самара, 2002 - 2004;
XXIX международная конференция «Информационные технологии в науке, образовании, телекоммуникации Information Technologies in Science, Education, Telecommunication and Business IT + SE` 2002» Ялта-Гурзуф, 2002;
Девятая международной конференции «Радиоэлектроника, электротех ника и энергетика», г. Москва, 2003;
VIII международная научно-методическая конференция вузов и фа культетов телекоммуникаций. г. Москва, 2004.
Публикации. Основные результаты диссертационной работы отраже ны в 24 публикациях, в том числе в 6 статьях, в 2-х свидетельствах об офици альной регистрации интеллектуального продукта и одном - об официальной регистрации программного продукта, 15 трудах конференций. Некоторые ре зультаты отражены в отчетах хоздоговорных НИР, в которых автор был ис полнителем.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из 161 стр.
машинописного текста, включающего в себя введение, четыре главы основ ного материала, выводы и заключение;
44 рисунка, 7 таблиц, библиографиче ского списка из 79 наименований и четырех приложений на 33 стр.
Автор выражает благодарность научному консультанту к.т.н., доценту кафедры «Телекоммуникационные системы» Гулину А.И. за оказанную по мощь в написании второй и третьей глав.
СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИИ Во введении обоснована актуальность темы, сформулированы цель и основные задачи исследования работы, показана научная новизна и практи ческая ценность, приведены основные положения, выносимые на защиту.
В первой главе на основе обзора существующих систем медицинской диагностики и перспектив развития направления телемедицины, в свете ре комендаций ВОЗ –SG 2.6-1998;
JS–3,7-2004, разработаны основные требова ния к построению автоматизированного измерительно-диагностического комплекса для иммуноскрининга (АИДКИ) и предложена ее логическая структура. Разработка устройств сопряжения в приборы, подключаемые к АИДКИ и управляемые ПЭВМ, позволит гораздо шире использовать потен циал медицины и вести мониторинг здоровья населения, выявляя зоны не благополучной экологической обстановки и локализовать очаги инфекций.
ЦС, представляющие модели многих устройств ВТ и СУ, в том числе входящих в АИДКИ (преобразователей с распределенными параметрами, ат тенюаторов, ЦАП, частотных и фазовых корректоров, линий задержек, фа зовращателей, схемы замещения усилителей, устройства считывания и пози ционирования планшетов тест-систем и т.д.), достаточно широко рассматри ваются в ТОЭ, электронике и других разделах теории цепей. Их анализ ос новывается на использовании традиционных методов, которые пригодны ли бо для однородных ЦС, т.к. в качестве исходного элемента используют звено, либо отличаются излишней громоздкостью и трудоемкостью уже при числе плеч структуры более пяти. В связи с этим, разработка алгоритмов и методов исследования устройств и элементов СУ и ВТ с ЦС и всего тракта преобразо вания из комбинаций их соединений является актуальной задачей.
Во второй главе разработана методика анализа ЦС (Рис.1) с использо ванием функции преобразования (ФП), которая представляет собой отноше ние активной входной величины к выходной. Для исследования ЦС и вычис ления ФП в общем виде, получен алгоритм записи ФП схем любой сложно сти.
Z1 Z2 Zn-1 Zn-2 Zn Zn Y4 Yn Un Yn-1 In E0 Y Рис. 1. Цепная структура Алгоритм записи Kn – ФП для ЦС с четным числом плеч n имеет вид n n2 n n1 n3 n Kn 1 Z iYk Z iYk Z pYq..., (1) i1 i1 pk ki1 k i 1q p где i = 1, 2, …, 0,5n, а для ЦС с нечетным числом плеч n n 1, n n n Kn Zi Z iYk Z p..., (2) i1 i 1, p k ki где i = 1, 2, …, 0,5(n + 1).
Выражения (1) и (2) позволили получить рекуррентное соотношение (3) для вычисления ФП, чувствительности, активных величин, сопротивле Kn Tn K n Kn (3) 1 ний и т.д. и разработать инженерную методику и программу исследования ЦС на ПЭВМ, которые официально зарегистрированы в Роспатенте.
Преобразователи с равномерно распределенными параметрами можно представить как однородные ЦС (ОЦС) с большим числом звеньев. Для оп ределения их ФП при четном числе плеч n можно воспользоваться выраже нием (1), которое для ОЦС примет вид 0,5 n C0,i5 n i Z iY i Kn (4) i 2i где C0,5n – число сочетаний из 0,5n i элементов по 2i элемента;
i Y0l Z 0l ;
Y, Z 0,5n 0,5n где Z 0 и Y0 – первичные параметры ЛС, отнесенные к единице длины l.
Формула (4) представляет собой выражение 0,5n i ! T02i 0,5 n, где T02i Z iY i, Kn 0,5n i ! 2i !
i аналогичное формуле Маклорена для разложения гиперболического косину са в степенной ряд Тейлора при неограниченном возрастании числа звеньев 0,5n. Так для искусственной RC-линии K n ch l, а при сдвиге фаз на ради ан - K n 11, 6, где T0 = l/0,5n, а Z0Y0 – коэффициент распространения.
Аналогично получены выражения ФП моделей из T-или П- образных звеньев.
При экспериментальных исследованиях устройств с распределенными параметрами и линий связи используют однородные многозвенные модели.
Для этого линию длиной l разбивают на n участков и, используя полученные в главе выражения, определяют значения элементов модели, что исключает ch l / n 1 sh l / n и Z ZC Y,, sh l / n Zс погрешность при использовании формул Z Z0 l/ n и Y Y0l / n, предло женных во многих источниках. ФП модели линии связи в общем виде будет равна l l Ki YН Z C sh i ch i, n n где отсчет i = 0 n производится от нагрузки линии связи.
В устройствах и системах обработки сигналов для получения сетки опорных напряжений с дискретными значениями частоты или фазы и при разработке ЦАП необходимо осуществлять питание через определенные пле чи (Рис.2), выбор которых, а также числа и видов источников питания воз можен в результате анализа подобных структур. Для каждого случая можно написать характеристические функции входного Tвх.k и выходного Tвых.k иммитансов (сопротивления или проводимости), а через них определить ФП K k / k 1 1 TВх.k TВых.k 1, где K k / k – ФП источника питания - активной величины Ak, действующей в k-том плече, в активную величину Bk 1, действующую в k 1 плече.
Ek Jk ЦС ЦС ЦС ЦС Zвх Yвх k Yвх K k Yвых k-1 Zвых k- Рис. 2. Произвольное включение источников в ЦС Использование ФП легко приводит к общим алгоритмам расчета этих характеристических функций независимо от степени сложности рассматри ваемой цепи. Выходное напряжение U Вых ЦАП равно n EiYi U ВЫХ TВых.i 1. (5) i 2,4,... TВх.iTВых.i 1 1 K2/ n Полученное выражение представляет собой линейную комбинацию на пряжений Ei с постоянными коэффициентами K i, YiTВых.i K где Ki / n Ki / i 1.
i n Следовательно, выражение (5) можно записать как U Вых Ei K i.
i 2,4...
В главе также разработаны модели согласующих трансформаторов с использованием ФП, что необходимо при анализе тракта преобразования, со держащего ряд преобразователей и согласующие устройства.
В третьей главе излагаются принципы создания устройств, работаю щих с частотными и фазовыми сигналами. В широкополосных СУ весьма ак туальна задача поддержания фазовых соотношений при приеме-передаче сигналов. Не менее важно это и при проектировании устройств автоматиче ского преобразования информации от частотных датчиков. Наибольшее рас пространение для создания фазовращателей в этих целях получили искусст венные линии в виду возможности их интегрального исполнения и бескон тактных способов регулирования параметров. Искусственная линия, рабо тающая как фазовращатель на радиан, моделируется конечным числом п/ RC- звеньев, каждое из которых считается двуплечим. Изменение угла сдвига фаз в подобном фазовращателе достигается с помощью переключателя или электронным управлением параметрами плеч. При изготовлении дискретного фазовращателя с конечным числом звеньев представляет интерес определе ния значений элементов R и С в плечах соответственно. Исследования в этом направлении показали следующую их взаимосвязь с полными параметрами RлCл.
RC kn Коэффициент kn зависит от числа плеч п и определяется из уравнения p ( 1) i k n i 1 m N Г 0, 2i i 0,1...
где р =0,5NГ - 1 при нечетном и р =0,5(NГ -3) при четном числе звеньев;
.
NГ - число групп, объединяющих члены с одинаковым количеством сомно жителей–иммитансов;
m –количество членов в группе.
По результатам исследований получены аналитические выражения для создания фазовращателей в интегральном и дискретном исполнениях с воз можностью одновременного получения сетки выходных напряжений с раз личными фазовыми сдвигами, что необходимо для построения различных ав томатических устройств СУ и фазорасщепителей.
Частотно-зависимые ЦС широко используются в СУ в качестве пер вичных и вторичных преобразователей, частотных корректоров, активных фильтров, фазирующих четырехполюсников и т.д. Однако в настоящее время получены аналитические выражения для частоты и затухания, подобных ЦС лишь с числом плеч не более восьми. С использованием ФП удалось устра нить этот пробел. ЦС может иметь один из четырех видов: ЦС U/I;
ЦС U/U (Рис. 3);
ЦС I/U или ЦС I/I. Активным преобразователем (АП) является уси литель различного схемного исполнения.
ЦС U/U АП U/U Z1 Z3 Zn- Un U0 Un Y2 Y4 Yn Рис.3. Блок-схема генератора с фазирующей ЦС U/U Частота квазирезонанса п-плечей ЦС, составленной из RC-элементов и осуществляющей поворот фазы на 180°, определяется из мнимой части ФП фазирующего четырехполюсника при обращении е в ноль, т.е. Im K ЦС 0, и для ЦС U/U определяется выражением kn (6), RC где коэффициент kn находится из уравнений вида P ( 1) i k n i 1C0,54i 2 0, n 2i i 0,1...
где p = 0,25n-1 - для четных 0,5n;
и p = 0,25(n+2)-1 - для нечетных 0,5n.
ФП фазирующих ЦС U/U и ЦС I/I на частоте квазирезонанса стремятся с увеличением числа плеч n до бесконечности от К6 = - 29 до Кп = - 11,56.
Из всех kп выбирают значения не превышающие 6.
Для расчетов схем любой сложности и конфигурации автором разрабо тана официально зарегистрированная программа и инженерная методика.
При использовании интегральных RC-структур для построения частот но-зависимых устройств СУ достигается ряд преимуществ. Во-первых, ис пользуется лишь один компонент с распределенной структурой, параметры которого перестраиваются электронно, во-вторых, требуемое усиление ак тивного преобразователя уменьшается до 11,6. Частота же избирательности определяется выражением b (U K) (7) f.
ARл Емкость С p-n-перехода при изменении величины обратного смещения A выражается C, b U K Из выражения (7) видно, что, управляя напряжением U от первичных преобра зователей, можно получить необходимый частотный выход.
Искусственная линия имеющая n плеч (п/2 звеньев) обладает дискрет ностью сдвига фаз, равной 2 / n. При переключении на соответствую щее i-тое плечо RC-линии, используемой в качестве фазирующей ЦС, напри мер в схеме на Рис.4, получим соотношение для дискретных значений частот fi, которые будут генерироваться 4 f (7) fi, i где f0 - частота квазирезонанса всей RC-линии. Подставляя в формулу (7) вы ражение для частоты f0 из (6), получим соотношение для дискретных значе 2k n ний частот генератора fi.
i RC При использовании искусственной LС - линии в качестве фазирующей ЦС, получим выражение для частот генерации fi =2f0 /I, где f0 - частота ква зирезонанса всей LC- линии, при снятии обратной связи с i-того плеча.
hn Отсюда получим значение fi, i LC 0,5 n где hn определяется из уравнения - 0, для n-плечей LC – ( 1)i hn n 2 2i Cn i2i1 n i 0,1...
искусственной линии в качестве фазирующей ЦС.
В работе приведены значения коэффициентов kп, hn,1/kп, 1/hn для ЦС с числом плеч п от 6 до 40, которые могут быть использованы при построении дискретных генераторов и фазовращателей, линий задержек и т.д.
Для синтеза устройств ЦС наиболее часто используются схемы Кауэра, представляющие собой результат разложения функции входного иммитанса в непрерывную дробь. Представляет интерес способ нахождения по виду задан ной ОЦС и ее ФП числа плеч устройства и величин их иммитансов. С помо щью пассивных RC-цепей можно спроектировать устройство с практически любыми, в ограниченном диапазоне частот (времени), амплитудно частотными и импульсными (переходными) характеристиками.
При синтезе четырехполюсников по заданному коэффициенту пере дачи задача реализации часто решается с помощью функции входного имми танса или с помощью полных и первичных параметров линии.
Рассмотрим условия, налагаемые на ФП при синтезе ОЦС, состоящих из цепочки двухполюсников вида Т1 и Т2. Известно, что ЦС U/U и ЦС I/I не изменяют размерность преобразуемой активной величины, содержат четное число плеч п и являются взаимно-дуальными структурами. Входной имми танс п -плечей ЦС, определяемый выражением Kn (8) Tвх, T2 f1' Знаменатель выражения (8), представляющий собой ФП ЦС без первого пле ча, содержит постоянный множитель в виде иммитанса Т2, а f1’ определяется 0,5 n из формулы f1' (T1T2 )i C3 i2i, (9) i 0,1...
где C3 i2i - число сочетаний из 3+i элементов по 1+2i элемента.
ФП структуры подобных устройств можно представить в виде 0,5 n (T1T2 )i C32i i, (10) Kn i 0,1...
где C3 i i - число сочетаний из 3+i элементов по 2i элемента.
Из выражений (8) (10), при подобранном по результатам аппрокси мации числе плеч п, определим значение иммитанса на какой-то определен ной, в диапазоне работы данного устройства, частоте Kn T2, TВХ f1' который, в общем случае, имеет комплексный характер. Далее, подставив значение иммитанса Т2 в выражение (14) или (15), решают полученное урав нение относительно иммитанса Т1.
По аналогичной процедуре синтезируют структуры U/I и I/U.
Несмотря на трудность сопоставления с другими методами, т.к. они разработаны для других целей и в основном для синтеза фильтров, можно заметить, что предложенная методика синтеза ЦС по ФП отличается просто той, большей формализацией и меньшей трудоемкостью вычислений.
В четвртой главе рассмотрены вопросы практического применения результатов анализа и синтеза при разработке, эксплуатации и моделирова нии устройств СУ с ЦС и длинных линий.
Наиболее перспективными при определении повреждений устройств с распределенными параметрами являются методы, основанные на измерениях резонансных состояний входного сопротивления. Однако они не способны прогнозировать повреждение, предупреждать и предотвращать аварии.
Применение ФП для определения мест повреждения подобных устройств СУ, позволило получить ряд соотношений, однозначно опреде ляющих расстояние до места повреждения и величину переходного имми танса в месте повреждения. Длинные линии (линии связи) с иммитансом Tп в месте повреждения представлена схемой замещения (Рис.5), где x – расстоя ние до места повреждения, а Y4 – иммитанс повреждения. Части линий связи до и после x l-x Z1 Z3 Z5 Z Y2 Y4 Y6 Y Рис. 4. Структура модели длинной линий с повреждением изоляции места повреждения рассматриваем как трехплечие ЦС. Используя формулы, полученные выше, получим выражения для иммитансов плеч структуры ch x 1 sh x Z1 Z3 Zc ;
Y2 ;
sh x Zc ch (l x) 1 sh (l x) ;
Y6.
Z5 Z7 Zc Zc sh (l x) Входной иммитанс линии связи на частоте i является функцией им митанса повреждения и расстояния до места повреждения, т.е.
f ( х, Y4 ).
Z вх ( i ) Измерив входной иммитанс на двух определенных частотах, получим два уравнения с двумя неизвестными x и Y4, решение которых и даст иско мый результат. Подставив в выражение для ФП значения иммитансов плеч и проделав аналитические преобразования, получим K 6 Z с Y4 sh x ch (l x ) ch l.
Входной иммитанс линии с повреждением имеет вид Z C Y4 sh x ch (l x) ch l, Z вх Y4 ch (l x) ch x sh l ZC arc sh b, где из которого найдем расстояние x до места повреждения x sh x b, и значение иммитанса в месте повреждения Y Z вх 1 th l Zc Y4.
2 b ( Z вх Z cth l ) b 1 b ( Z вхth l Z c ) Z вх Таким образом, полученные соотношения позволяют не только опреде лять расстояние до места повреждения линии, но и прогнозировать место и характер повреждения (изоляции или жилы).
Одним из основных вопросов, возникающих при проектировании и эксплуатации СУ, является исследование влияния амплитудных, частотных и фазовых характеристик линий связи на параметры преобразователей, которое в общем виде до сих пор не проводилось. Важность решения этого вопроса возрастает с необходимостью учета влияния линии связи на искажения ин формации в виде временных задержек, изменения амплитуд и т.п.
Наиболее полно и всесторонне исследование свойств однородных цеп ных схем рассмотрено в работах Каганова З.Г., где показано, что для цепей с потерями существует несколько несовпадающих резонансов (частотный, фа зовый и амплитудный).
ФП позволили исследовать частотный критерий резонансов, заклю чающийся в определении частот квазирезонанса ЦС из выражения мнимой части ФП при обращении е в нуль;
фазовый - определяемый при равенстве нулю мнимой части входного иммитанса линии связи: и амплитудный - ха рактеризующийся экстремумами АЧХ входного иммитанса ЦС или линии связи. Полученные соотношения свидетельствуют о необходимости учета влияний линий связи на работу преобразователей СУ гораздо шире, чем про сто в виде затухания, задержек и т. п. как это рассматривается традиционно.
Широкое распространение ЦС в виде LC - и RC – линий обосновано необходимостью построения устройств с частотным выходом, линий задер жек, фазовых корректоров и моделей длинных линий. Однако, до сих пор не оценена погрешность моделирования значений частоты и фазы при исполь зовании многоплечих ЦС. Известно лишь то, что с увеличением числа плеч модели эта погрешность уменьшается. Анализ показал некорректность тако го подхода. Так у RC –линии, несмотря на увеличение числа плеч модели с до 40 и значительного уменьшения абсолютной погрешности, относительная погрешность уменьшается лишь с 10,5% до 3,6%. Причем, в этом диапазоне наименьшую погрешность имеет восьмиплечая модель, равную 3,1%.
Проведенные исследования позволили выработать методику моделиро вания и синтеза ЦС с одновременным исключением методических погреш ностей в значениях частоты и входного (выходного) сопротивления модели.
Результаты исследований влияния нагрузки на характеристики частот но зависимых устройств с ЦС, показали, что чем больше число плеч в схеме, тем больше влияние на генерируемую частоту оказывает нагрузка. Так, на пример, относительная погрешность частоты квазирезонанса у шестиплечей схемы равна 0,02%, а у восьмиплечей – 0,04%.
При определении границ погрешности отдельных элементов у линии задержек, ЦАП и т.п. исходят из условия, что погрешность выходных пара метров не должна превышать заданную допустимую величину. Проведенные исследования с использованием ФП позволили оценить допуски на разброс параметров элементов по допустимой погрешности рабочих характеристик, используя полученное выражение для ФП K n с погрешностями элементов 0.5 n х i Z iY i, 2i Kn C0.5 n i i где x - граница допуска иммитансов плеч структуры устройств.
Сервер ТМЦ Телефонная сеть общего Internet пользования ГТС АТС Ethernet Телефонная ADSL модем сеть общего пользования АТС ГТС ПК Устройство Устройство Устройство сопряжения сопряжения сопряжения SD ИФА Дозатор Термостат встряхиватель АИДКИ Рис. 5. Структура управления комплексом из БРЦ телемедицины Также в этой главе представлена структура АИДКИ, реализованная в ряде учреждений Минздрава РБ, и устройство сопряжения, алгоритмы и программы, позволяющие функционировать медицинские приборы как в со ставе комплекса, так и автономно. Основой АИДКИ являются управляемые ПЭВМ биохимические (ИФА) и другие диагностические комплексы (ДК), способствующих проведению массовых обследований и составлению базы данных как в лечебно-профилактических учреждениях, так и в Башкирском Республиканском центре (БРЦ) телемедицины (Рис.5). При построении ДК, состоящих из отдельных модулей, реализован принцип агрегатирования. Для этого были решены две основные задачи - совместимости и сопряжения мо дулей как между собой, так и с внешними устройствами БРЦ через мультип лексор потоков Е1, в разработке которого участвовала диссертант.
В приложении представлены тексты разработанных программ расче тов параметров устройств с цепной структурой, частоты квазирезонанса мно гозвенных RC-структур, а также документы, подтверждающие внедрение ре зультатов работы в БРЦ Телемедицины Минздрава Республики Башкорто стан, и в учебном процессе Уфимского государственного авиационного тех нического университета в виде методик расчета параметров линий задержек, ЦАП и выходных частот вторичных преобразователей.
ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ И РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ 1. Разработана методика анализа элементов и устройств ВТ и СУ, имеющих однородные, неоднородные и распределенные структуры. (Свиде тельство об официальной регистрации программы для ЭВМ № 2002610748/ 22.05.2002. Роспатент. Москва. 2002).
2. Разработаны алгоритмы исследования, отличающиеся малым числом команд и инженерные методики расчета характеристик функциональных устройств с цепной структурой (Информационный бюллетень ВНТИЦ, Рег.
№ 50200200246.: Алгоритмы и программы, № 2, 2003. – РТО 11 с. ISSN 0320 0884).
3. Разработана методика синтеза устройств цепной структуры (преоб разователей с частотным и фазовым выходом, линий задержек, ЦАП и т.д.) с сосредоточенными и распределенными параметрами. Разработаны методики определения выходных частот квазирезонанса преобразователей с RC- и LC фазирующими четырехполюсниками любой сложности (Свидетельство об официальной регистрации программы для ЭВМ № 2003611147/ 16.05.2003.
Роспатент. Москва. 2003).
4. Исследовано влияния параметров нагрузки на выходные характери стики преобразователей с частотным выходом, показавшее увеличение от клонения частоты с увеличением числа плеч структуры устройства и получе ны соотношения количественной оценки этой погрешности.
5. Исследованы методические погрешности моделирования устройств с распределенными параметрами и разработана методика устранения ее для функциональных устройств с LC- и RC-структурами, что особенно важно при интегральном исполнении последних.
6. Разработана методика проектирования устройств с нормированной погрешностью выходных характеристик с установкой допуска на разброс па раметров элементов плеч функциональных устройств с ЦС.
7. Получены аналитические соотношения, позволяющие диагностиро вать и прогнозировать повреждения устройств с однородной и распределен ной структурами путем измерения входного сопротивления на двух частотах.
ОСНОВНЫЕ ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ 1. Интерактивные сети КТВ. Стандарты, технологии, оборудование / Филимонов А.И., Сухинец Ж.А., Гулин А.И. // Технология и средства связи.
2004.- №2. - С. 164-172.
2. Обоснование технических требований к медицинской ТКС / Сухинец Ж.А. // Интеллектуальные системы управления и обработки информации:
Материалы междунар. НТК.- Уфа, 2001. – С. 252.
3. Телекоммуникационная система мониторинга здоровья населения / Султанов А.Х., Сухинец Ж.А., Гулин А.И. //Проблемы прогнозирования, преду преждения и ликвидации последствий чрезвычайных ситуаций: Материалы Всерос. НПК. Уфа–2002, с.74-76.
4. ГИС в здравоохранении на базе городских коммуникаций / Гулин А.И., Сухинец Ж.А. //Информационные технологии в науке, образовании, те лекоммуникации и бизнесе. Труды 29 междунар. конференции IT+SE’2002. Ялта-Гурзуф, 2002.- С. 370-372.
5. Расчет параметров преобразователей цепной структуры / Гулин А.И., Мударисов Д.Ф., Сухинец Ж.А. // Свидетельство об официальной регистра ции программы для ЭВМ № 2002610748/22.05.2002. Роспатент. Москва. 2002.
6. Анализ канала телекоммуникационной системы с использованием функций преобразования / Сухинец Ж.А. // Проблемы техники и технологии телекоммуникаций: Материалы 3 междунар. НТК. Уфа- 2002, С. 121-122.
7. Исследование и проектирование ЦАП с использованием функций преобразования / Сухинец Ж.А., Мударисов Д.Ф., Гулин А.И. // Проблемы техники и технологии телекоммуникаций: Материалы 3 междунар. НТК. Уфа, 2002.- С. 122-123.
8. Стратегия построения телекоммуникационной системы для медици ны на базе сотовой связи / Гулин А.И., Мустафин Х.М., Сухинец Ж.А. // Проблемы техники и технологии телекоммуникаций: Материалы 4 между нар. НТК.- Уфа, 2002.- С. 190-191.
9. Проектирование и расчет интегральных RC-структур / Сухинец Ж.А., Мударисов Д.Ф., Хаников И.Р. // XXIX Гагаринские чтения: Материа лы междунар. молодежной НТК. – Москва, 2002. – Т.6., С. 17-18.
10. Аппаратура цифрового уплотнения для АЦС (Блок СЛ-10, концен тратор, мультиплексор, низкоскоростной регенератор) / Рахимов Р.Р., Гулин А.И., Сухинец Ж.А. и др. // Проблемы техники и технологии телекоммуника ций: Материалы 4 междунар. НТК.- Уфа, 2003.- С. 157-164.
11. Расчет частоты квазирезонанса и коэффициента передачи много звенных RC-структур / Гулин А.И., Сухинец Ж.А., Мударисов Д.Ф., Хаников И.Р. // Свидетельство об официальной регистрации программы для ЭВМ № 2003611147/ 16.05.2003. Роспатент. Москва. 2003.
12. Программа расчета преобразователей цепной структуры / Гулин А.И., Мударисов Д.Ф., Сухинец Ж.А.// Информационный бюллетень ВНТИЦ, Рег. № 50200200246.: Алгоритмы и программы, № 2, 2003. – РТО 11 с. ISSN 0320- 13. Математическое моделирование длинных линий с использованием функций преобразования / Сухинец Ж.А // Радиоэлектроника, электротехни ка и энергетика: Девятой междунар. Науч.-техн. конф. студентов и аспиран тов. Т. 1.- М.: Издательство МЭИ, 2003.– С. 274.
14. Обеспечение мобильности и качества образования в области теле коммуникаций / Гулин А.И., Султанов Р.Р., Сухинец Ж.А. // VIII Междунар.
науч.-метод. конф. вузов и факультетов телекоммуникаций: Труды конфе ренции. – М.: МТУСИ, 2004 – С. 35-38.
15. Практический опыт применения телемедицинских технологий в Республике Башкортостан / Мустафин Х.М., Мударисов Д.Ф., Сухинец Ж.А.
// Проблемы техники и технологии телекоммуникаций: Материалы V междунар.
НТК.- Самара: Аэропринт. 2004.- С. 112 - 113.
16. Анализ проводных линий связи с использованием функций преоб разования / Сухинец Ж.А., Филимонов А.И., Мударисов Д.Ф. // Проблемы техники и технологии телекоммуникаций: Материалы V междунар. НТК. Самара: Аэропринт. 2004.- С. 52 - 54.
17. Рекомендации использования разнообразных видов линий связи в различных областях телемедицины / Мустафин Х.М., Сухинец Ж.А. и др.
Материалы V междунар. НТК.- Самара: Аэропринт. 2004.- С. 113 - 116.
Диссертант Сухинец Ж.А.
СУХИНЕЦ Жанна Артуровна ИССЛЕДОВАНИЕ ФУНКЦИОНАЛЬНЫХ УСТРОЙСТВ НА БАЗЕ ЦЕПНЫХ МОДЕЛЕЙ В СИСТЕМАХ МЕДИЦИНСКОЙ ДИАГНОСТИКИ Специальность 05.13.05 – Элементы и устройства вычислительной техники и систем управления АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук Подписано к печати 08.12.06. Формат 60х84 1/ Бумага офсетная. Печать плоская. Гарнитура Times New Roman.
Усл. печ. л. 1,0. Усл. кр.-отг. 1,0. Уч.-изд. л. 0,9.
Тираж 100 экз. Заказ № 700.
Уфимский государственный авиационный технический университет Центр оперативной полиграфии 450000, Уфа-центр, ул. К. Маркса,