КОМПЛЕКС СБОРА И ОБРАБОТКИ СИГНАЛОВ ТРЕВОЖНОЙ ИНФОРМАЦИИ Российский патент 2015 года по МПК G08C19/02 

Область техники, к которой относится изобретение

Изобретение относится к системам телесигнализации и может быть использовано для мониторинга безопасности промышленных объектов.

Уровень техники

Известен комплекс сбора и анализа телеметрической информации для мониторинга безопасности объектов, содержащий набор датчиков, преобразователи, усилители, фильтры, два источника питания, преобразователь источника питания, аналого-цифровой преобразователь, блок входных данных, блок управления, ноутбук, таймер, запоминающее устройство, три задатчика уровня, блок анализа информации порогового уровня, три оперативных запоминающих устройства, блок выделения максимальных амплитуд, блок выделения экстремумов, счетчик количества циклов, блок формирования команды предельного уровня, блок выходных данных, регистратор, три передатчика, канал связи, три приемника, контрольную панель сбора данных (описание изобретения к патенту РФ №2337391, МПК G05D 19/02, опубликовано 21.03.2007, бюл. №30).

Недостатком данного комплекса является низкая пропускная способность по многоканальной обработке сигналов тревожной информации.

Известна многоканальная автономная система для анализа и регистрации динамических процессов, содержащая набор датчиков, преобразователей, фильтров и усилителей, аналого-цифровой преобразователь, электронно-вычислительную машину, оперативное запоминающее устройство, таймер, персональный компьютер, принтер, источник питания с преобразователем напряжения, двухкомпонентные датчики ускорения, датчики температуры, приемопередатчик, контроллер, преобразователь напряжения (описание изобретения к патенту РФ №2271031, МПК G05D 19/02, опубликовано 27.02.2006 г., бюл. №6).

Недостатком системы является низкая пропускная способность при обслуживании измерительных каналов.

Наиболее близкой по технической сущности (прототипом) к заявляемому изобретению является многоканальная система сбора и обработки сигналов тревожной информации, содержащая n наборов (измерительных каналов) последовательно соединенных датчиков, преобразователей, фильтров, усилителей и компараторов уровня, последовательно соединенные передатчик, канал связи, приемник с декодером и контрольная панель сбора данных, последовательно соединенные источник питания и преобразователь источника питания, задатчик уровня, аналого-цифровой преобразователь и блок выходных данных, первые входы которых подключены к выходам соответствующих усилителей, а вторые входы компараторов объединены и подключены к выходу задатчика уровня, вход которого подключен к выходу источника питания, первый коммутатор, информационные входы которого подключены к выходам соответствующих компараторов уровня, m интеграторов, первые входы которых подключены к соответствующим выходам первого коммутатора, второй коммутатор, информационные входы которого подключены к выходам соответствующих интеграторов, вторые входы интеграторов подключены к соответствующим питающим выходам второго коммутатора, питающий вход которого подключен к выходу преобразователя источника питания, устройство управления, первый выход которого подключен к управляющему входу первого коммутатора, второй выход устройства управления подключен к управляющему входу второго коммутатора, информационный выход которого подключен к входу аналого-цифрового преобразователя, информационный выход которого соединен с первым входом блока выходных данных, второй вход которого подключен к третьему выходу устройства управления, вход которого подключен к сигнальному выходу аналого-цифрового преобразователя, выход блока выходных данных соединен с входом передатчика (описание полезной модели к патенту РФ №108873, МПК G08C 19/00, опубликовано 27.09.2011, бюл. №27).

Недостатком прототипа является низкая помехоустойчивость передачи сигналов тревожной информации по каналу связи. Недостаток обусловлен отсутствием возможности управления длительностью элементов передаваемых сигналов в зависимости от помеховой обстановки в канале связи.

Раскрытие изобретения

Техническим результатом, достигаемым с помощью заявленного комплекса сбора и обработки сигналов тревожной информации, является повышение помехоустойчивости передачи сигналов тревожной информации по каналу связи.

Этот результат достигается тем, что в предложенный комплекс сбора и обработки сигналов тревожной информации, содержащий n наборов (измерительных каналов) последовательно соединенных датчиков, преобразователей, фильтров, усилителей и компараторов уровней, последовательно соединенные блок выходных данных, передатчик, канал связи и приемник с декодером, последовательно соединенные источник питания и преобразователь источника питания, задатчик уровня, вторые входы компараторов уровня объединены и подключены к выходу задатчика уровня, вход которого подключен к выходу источника питания, первый коммутатор, информационные входы которого подключены к выходам соответствующих компараторов уровня, m интеграторов, первые входы которых подключены к соответствующим выходам первого коммутатора, второй коммутатор, информационные входы которого подключены к выходам соответствующих интеграторов, вторые входы интеграторов подключены к соответствующим питающим выходам второго коммутатора, питающий вход которого подключен к выходу преобразователя источника питания, устройство управления, первый выход которого подключен к управляющему входу первого коммутатора, второй выход устройства управления подключен к управляющему входу второго коммутатора, третий выход устройства управления подключен к первому входу блока выходных данных, введены последовательно соединенные компаратор нулевого уровня, управляемый генератор счетных импульсов, селектор и счетчик, выход которого подключен к второму входу блока выходных данных, последовательно соединенные анализатор ошибок, блок сравнения, дополнительный передатчик, обратный канал связи и дополнительный приемник, выход которого подключен к второму входу управляемого генератора счетной частоты, блок отображения состояний объектов, первый вход которого совместно с входом анализатора ошибок подключены к выходу приемника с декодером, а второй вход блока отображения состояний объектов подключен к выходу блока сравнения, первый управляющий вход селектора подключен к второму выходу устройства управления, второй управляющий вход селектора совместно с входом устройства управления подключены к второму выходу компаратора нулевого уровня, вход которого соединен информационным выходом второго коммутатора.

Краткое описание чертежа

На чертеже представлена структурная электрическая схема комплекса сбора и обработки сигналов тревожной информации.

Комплекс сбора и обработки сигналов тревожной информации содержит наборы (по числу n измерительных каналов) последовательно соединенных датчиков 1, преобразователей 2, фильтров 3, усилителей 4 и компараторов 5 уровней, вторые входы которых подключены к выходу задатчика 6 уровня, первый коммутатор 7, устройство 8 управления, m интеграторов 9₁-9_m, второй коммутатор 10, селектор 11, источник 12 питания, преобразователь 13 источника питания, компаратор 14 нулевого уровня, управляемый генератор 15 счетных импульсов, последовательно соединенные счетчик 16, блок 17 выходных данных, передатчик 18, канал 19 связи, приемник 20 с декодером и блок 21 отображения состояний объектов, последовательно соединенные анализатор 22 ошибок, блок 23 сравнения, дополнительный передатчик 24, обратный канал 25 связи и дополнительный приемник 26.

Каждый из n измерительных каналов представляет собой конструктивно выделяемую часть комплекса, выполняющую законченную функцию от восприятия измеряемой величины до получения аналогового сигнала, один из параметров которого - функция измеряемой величины (см. ГОСТ Р 8.596-2002. Метрологическое обеспечение измерительных систем). Электрическая связь последовательно соединенных конструктивных элементов 1-5 измерительных каналов осуществляется посредством проводников.

Выход источника 12 питания соединен с входами задатчика 6 уровня и преобразователя 13 источника питания. Выход задатчика 6 уровня подключен к объединенным вторым входам компараторов 5 уровня.

Информационные входы первого коммутатора 7 подключены к выходам соответствующих компараторов 5 уровня. Первые входы интеграторов 9₁-9_m подключены к соответствующим выходам первого коммутатора 7. Информационные входы второго коммутатора 10 подключены к выходам соответствующих интеграторов 9₁-9_m. Вторые входы интеграторов 9₁-9_m подключены к соответствующим питающим выходам второго коммутатора 10, питающий вход которого подключен к выходу преобразователя 13 источника питания.

Первый выход устройства 8 управления подключен к управляющему входу первого коммутатора 7, второй выход устройства 8 управления подключен к управляющему входу второго коммутатора 10, третий выход устройства управления подключен к первому входу блока 17 выходных данных.

При этом по команде с первого выхода устройства 8 управления первый коммутатор 7 обеспечивает сопряжение выходов компараторов 5 уровней к входам интеграторов 9₁-9_m, по команде с второго выхода устройства 8 управления второй коммутатор 10 обеспечивает подачу отрицательного напряжения с источника 12 питания через преобразователь 13 к вторым входам интеграторов 9₁-9_m, выходы которых через коммутатор 10 подключены к входу компаратора 14 нулевого уровня.

Блок 17 выходных данных, передатчик 18, канал 19 связи и приемник 20 с декодером являются конструктивно и функционально последовательно соединенными для передачи сигналов тревожной информации.

Первый выход компаратора 14 нулевого уровня подключен к первому входу управляемого генератора 15 счетных импульсов, второй вход которого подключен к выходу дополнительного приемника 26. Выход управляемого генератора 15 счетных импульсов через открытый селектор 11 подключается к входу счетчика 16. Селектор 11 первым управляющим входом подключен к второму выходу устройства 8 управления, вторым управляющим входом подключен к второму выходу компаратора нулевого уровня (совместно с входом устройства управления). Вход анализатора 22 ошибок подключен к выходу приемника 20.

Осуществление изобретения

Комплекс сбора и обработки сигналов тревожной информации работает следующим образом. Датчики 1 измеряют параметры объектов. Результаты измерения в преобразователях 2 преобразуются в электрические сигналы с уровнями напряжений, пропорциональными значениям измеряемых параметров. Фильтры 3 обеспечивают выделение измерительного сигнала в заданной полосе частот. Сигнал усиливается с помощью усилителя 4, при этом обеспечивается еще и нормирование уровней сигналов относительно установленных пороговых уровней.

Выходные сигналы усилителей 4 поступают на первые входы соответствующих компараторов 5 уровней, где сравниваются с напряжением порогового уровня U_П, подаваемым на вторые входы компараторов 5 с выхода задатчика 6 уровня. В случае превышения напряжением измерительного сигнала U_xi (в i-м измерительном канале) порогового уровня U_П на выходе i-го компаратора 5 появится сигнал тревожной информации в виде разностного напряжения ΔU_i=U_xi-U_П. В противном случае, если U_xi≤U_П, на выходе компаратора 5 сигнал тревожной информации отсутствует (U_Δi=0).

Первый коммутатор 7 по команде с устройства 8 управления осуществляет подключение выхода компаратора 5 с сигналом тревожной информации к входу одного из свободных интеграторов 9. Основу интегратора 9 составляет накопительный конденсатор, который может находиться в одном из трех режимов: заряд; хранение информации; разряд.

С момента подключения интегратора 9 к выходу компаратора 5 уровня (в составе i-го измерительного канала) в течение фиксированного времени t₁ осуществляется заряд конденсатора данного интегратора 9 до значения U_Δi, пропорционального напряжению ΔU_i на выходе соответствующего компаратора 5. По окончанию времени t₁ заряда конденсатора с устройства 8 управления подается команда в первый коммутатор 7 на отключение интегратора 9 от выхода компаратора 5 уровня. Конденсатор интегратора 9 переходит в режим хранения информации об уровне U_Δi в течение времени ожидания t_ож.

Если схема аналого-цифрового преобразования (в составе блоков 11, 14, 15 и 16) является свободной от обслуживания интеграторов, то с второго выхода устройства 8 управления подается сигнал на управляющий вход второго коммутатора 10 и на первый (стартовый) управляющий вход селектора 11. Второй коммутатор 10 обеспечивает подключение источника питания 12 (с опорным напряжением отрицательной полярности - U_ОП) через преобразователь 13, выход которого подключен к питающему входу второго коммутатора, к второму входу очередного интегратора 9, обеспечивая разряд его конденсатора с постоянной скоростью. Выход данного интегратора 9 через второй коммутатор 10 подключается к входу компаратора 14 нулевого уровня.

Компаратор 14 обеспечивает запуск управляемого генератора 15 счетных импульсов. С началом разряда конденсатора в интеграторе 9 в момент времени t_старт счетные импульсы с генератора 15 через открытый селектор 11 поступают на вход счетчика 16.

По окончанию разряда конденсатора в интеграторе 9 до нулевого значения напряжения в момент времени t_стоп с второго выхода компаратора 14 поступает стоповый сигнал на второй управляющий вход селектора 11 для его закрытия. Поступление счетных импульсов через селектор 11 на вход счетчика 16 прекращается. Информация о прекращении подсчета импульсов и освобождении схемы аналого-цифрового преобразования (в составе блоков 11, 14, 15 и 16) от обслуживания очередного интегратора 9 поступает с второго выхода компаратора 14 нулевого уровня на вход устройства 8 управления.

Число подсчитанных счетчиком 16 импульсов пропорционально времени разряда конденсатора t_p=t_стоп-t_старт в опрашиваемом интеграторе 9, а следовательно, значению напряжения Δ_Ui уровня сигнала тревожной информации на выходе соответствующего измерительного канала. Результаты преобразования сигнала в виде двоичного кода с выхода счетчика 16 подаются на второй вход блока 17 выходных данных, на первый вход которого подается информация о номерах измерительных каналов с третьего выхода устройства 8 управления.

Устройство 8 управления подает команду на управляющий вход первого коммутатора 7 для подключения освободившегося интегратора 9 с разряженным конденсатором к выходу очередного компаратора 5 с уровнем сигнала тревожной информации ΔU_i>0. Кроме того, устройство 8 управления подает команду на управляющий вход второго коммутатора 10 для подключения освободившегося компаратора 14 нулевого уровня к выходу интегратора 9, находящегося в режиме ожидания с заряженным конденсатором.

Блок 17 выходных данных формирует пакеты с информацией о значениях уровней сигналов тревоги в цифровом виде и номерах измерительных каналов, в которых выявлены сигналы тревоги. С выхода блока 17 выходных данных сформированные информационные пакеты последовательно поступают на вход передатчика 18 и далее, через канал 19 связи, - на приемник 20 с декодером. С выхода приемника 20 поступившие сообщения подаются на первый вход блока отображения состояния объектов, где фиксируется информация о номерах измерительных каналов, содержащих сигналы тревоги, с указанием степени превышения контролируемыми параметрами установленных пороговых уровней.

При передаче тестовых сообщений по каналу 19 связи в установленный сроки анализатор 22 ошибок, подключенный к выходу приемника 20, осуществляет оценку верности принятой информации с учетом помеховой ситуации в канале связи. Результаты оценки в виде числа $${\overline{p}}_{ош}$$ ошибочно принятых элементов сообщения поступают в блок 23 сравнения, где сопоставляются с допустимым значением ошибки р_доп.

Если оценка $${\overline{p}}_{ош}$$ значительно превышает допустимое значение р_доп, то с выхода блока 23 сравнения через последовательно соединенные дополнительный передатчик 24, обратный канал 25 связи и дополнительный приемник 26 на второй вход управляемого генератора 15 подается команда на уменьшение частоты формируемых счетных импульсов в два раза. В этом случае на временном интервале t_p разряда конденсатора в интеграторе 9 счетчиком 16 будет подсчитано в два раза меньше импульсов. Количество разрядов к передаваемой двоичной информации уменьшится на единицу (так как 2^k/2^k-1=2), а следовательно, будет увеличена длительность элемента Т_Э передаваемой на временном интервале t_p=k·T_Э двоичного сообщения.

Увеличение длительности Т_Э сообщения при фиксированной мощности передатчика Р_С способствует увеличению энергии полезного сигнала, а следовательно, снижению вероятности ошибки р_ош поэлементного приема сообщений в условиях помех.

Информация об изменении частоты счетных импульсов генератора 15 поступает с выхода блока 23 на второй вход блока 21, где учитывается при отображении реального состояния объектов.

Для примера рассмотрим канал связи с флуктуационными помехами, для которого вероятность ошибочного некогерентного приема элемента дискретного сигнала определяется выражением: р_ош=0,5·ехр(-Р_СГ_Э/2Е_П), где Е_П - энергия помехи (см. Теория передачи сигналов: учебник для вузов / А.Г. Зюко, Д.Д. Кловский, М.В. Назаров, Л.М. Финк. - М: Радио и связь, 1986. - С. 194.).

Если отношение энергий сигнала и помехи Р_СТ_Э/Е_П=10, то значение вероятности ошибки р_ош=3,42·10^-3. В случае допустимого значения ошибки р_доп=2·10^-3 с выхода блока 23 сравнения через дополнительный передатчик 24, обратный канал 25 связи и дополнительный приемник 26 на второй вход управляемого генератора 15 подается команда на уменьшение частоты формируемых счетных импульсов в два раза.

Например, если первоначальная частота счетных импульсов была такой, что за время разряда t_p полностью заряженного конденсатора в интеграторе 9 счетчик 16 подсчитывал 62 импульса (соответствует 6-разрядному двоичному коду 111110), то после уменьшения частоты импульсов вдвое за время t_р на счетчик 16 поступит 31 импульс, что соответствует 5-разрядному коду 11111. За счет уменьшения числа разрядов на фиксированном временном интервале t_p длительность $$T_{Э}^{\ast }$$ элемента сообщения увеличится в 6/5 раз. В этом случае отношение энергий сигнала и помехи увеличится до значения Р_С $$T_{Э}^{\ast }$$ /Е_П=12, а значение вероятности ошибки уменьшится $${р}_{ош}^{\ast }$$ =1,26·10^-3. Следовательно, для данного частного примера выигрыш в помехоустойчивости составляет р_ош/ $${р}_{ош}^{\ast }$$ ≈2,7 раз.

Изобретение относится к системам телесигнализации. Технический результат заключается в повышении помехоустойчивости передачи сигналов тревожной информации по каналу связи. Имеются n измерительных каналов в составе датчиков (1), преобразователей (2), фильтров (3), усилителей (4) и компараторов уровней (5), а также задатчик уровня (6), два коммутатора (7, 10), устройство управления (8), m интеграторов (9₁-9_m), источник питания с преобразователем (12, 13), блок выходных данных (17), передатчик (18), канал связи (19) и приемник (20). В комплекс введены: селектор (11), компаратор нулевого уровня (14), управляемый генератор счетных импульсов (15) и счетчик (16) - для аналого-цифрового преобразования сигналов тревоги с управляемой частотой следования счетных импульсов; анализатор ошибок (22), блок сравнения (23), дополнительный передатчик (24), обратный канал связи (25) и дополнительный приемник (26) - для формирования и передачи в схему аналого-цифрового преобразования команды управления длительностью элементов сигналов тревоги, передаваемых по каналу связи в условиях помех; блок отображения состояний объектов (21) - для отображения уровня сигнала тревоги с детализацией объекта и команды на изменение частоты следования счетных импульсов. 1 ил.

Комплекс сбора и обработки сигналов тревожной информации, содержащий n наборов измерительных каналов последовательно соединенных датчиков, преобразователей, фильтров, усилителей и компараторов уровней, последовательно соединенные блок выходных данных, передатчик, канал связи и приемник с декодером, последовательно соединенные источник питания и преобразователь источника питания, задатчик уровня, вторые входы компараторов уровня объединены и подключены к выходу задатчика уровня, вход которого подключен к выходу источника питания, первый коммутатор, информационные входы которого подключены к выходам соответствующих компараторов уровня, m интеграторов, первые входы которых подключены к соответствующим выходам первого коммутатора, второй коммутатор, информационные входы которого подключены к выходам соответствующих интеграторов, вторые входы интеграторов подключены к соответствующим питающим выходам второго коммутатора, питающий вход которого подключен к выходу преобразователя источника питания, устройство управления, первый выход которого подключен к управляющему входу первого коммутатора, второй выход устройства управления подключен к управляющему входу второго коммутатора, третий выход устройства управления подключен к первому входу блока выходных данных, отличающийся тем, что в его состав введены последовательно соединенные компаратор нулевого уровня, управляемый генератор счетных импульсов, селектор и счетчик, выход которого подключен к второму входу блока выходных данных, последовательно соединенные анализатор ошибок, блок сравнения, дополнительный передатчик, обратный канал связи и дополнительный приемник, выход которого подключен к второму входу управляемого генератора счетной частоты, блок отображения состояний объектов, первый вход которого совместно с входом анализатора ошибок подключены к выходу приемника с декодером, а второй вход блока отображения состояний объектов подключен к выходу блока сравнения, первый управляющий вход селектора подключен к второму выходу устройства управления, второй управляющий вход селектора совместно с входом устройства управления подключены к второму выходу компаратора нулевого уровня, вход которого соединен информационным выходом второго коммутатора.