Многоканальное устройство для ввода аналоговых данных Советский патент 1987 года по МПК G06F3/05 

1133

Изобретение относится к измерительной и вычислительной технике и мажет быть использовано при построении высокопроизводительных систем сбора и обработки аналоговых данных, а также для сжатия информации при измерении и обработке совокупности входных величин, являющихся функцией пространственной координаты.

Целью изобретения является расширение области применения устройства за счет организации спектрального представления аналоговых данных и уменьшения объема вводимой информации.

На фиг. 1 показана структурная схема устройства; на фиг. 2 - пример реализации блока управления; на фиг.З

структурная схема преобразователя ко- 20сано несколько.

дов; на фиг. 4 - временные диaгpaм ы Процедуры измерения и вычисления

работы устройства; на фиг. 5 - примерспектральных коэффициентов совмещены

информации, записанной в блоке посто-во времени; к концу одного цикла изянной памяти..мерения (после опроса всех N датчиУстройство содержит коммутатор 1, 5ков) в узлах 10 оперативной памяти

(ОЗУ 2) всех модулей накапливаются

аналого-цифровой преобразователь (АЦП) 2, блок 3 управления, блок 4 по- постоянной памяти (ППЗУ), преобразователь 5 кодов, блок 6 вычисления спек- тр-альных коэффициентов, состоящий из зо однотипных модулей 7, каждый из которых содержит узел 8 оперативной памяти первой группы (ОЗУ 1), сумматор 9, узел 10 оперативной памяти второй группы (ОЗУ 2), блок 11 буферных элементов, тактовый генератор 12, регистр 1.3 сдвига, элемент ИЛИ 14, два счетчика 15 и 16 и два дешифратора 17 и 18, а также шифратор 19, муль35

значения ненормированных коэффициентов, определяемых соотношением С. Six; -(.,(1),

где С - К-й ненормированный спект-

ральный коэффициент; X - ординаты измеряемой пространственной функции; Ц иС )- значение К-й базисной функции в i-й дискретной точке. В предлагаемом устройстве используются системы базисных функций Хаара и Уолша, принимающих значения ±1,0,

типлексор 20, магистральньш передат- 40 что позволяет операции умножения свесчик 21, компаратор 22.

Устройство работает след ующим образом.

ЭВМ формирует команды Пуск,

Сброс, Запись, Считывание, Но- 45 числения спектральных коэффициентов мер канала, Номер базисной функ- Код уставки, поступающие на

ции

входы блока 3 управления, входы младших и старших разрядов адреса блока 4 постоянной памяти и информационные входы второй группы преобразователя 5 кодов. В исходном состоянии при включении йитания или в начале работы счётчики 15 и 16 и регистр 13 сдвига

разбит на четыре модуля 7 (), каждый предназначен для вычисления четырех спектральных коэффициентов (т 4). Для определения спектральн gQ го состава входного сигнала по орто гональной системе базисных функций Хаара необходимо в ОЗУ 1 всех модулей 7 перезаписать шестнадцать нено мированных функций Хаара в шестнадц

блока 3 управления установлены в ну-gg ти дискретных точках. При этом ЭВМ залевое состояние.дает восьмиразрядный двоичный код

Основным блоком системы является(фиг. 5), которьш включает в себя код

блок 6 вычисления спектрапьных коэф-номера базисной функции К (К 0,15 фициентов. Блок 6 содержит 1 моду-четыре двоичных разряда) и код номера

лей 7, при этом каж,г1, модуль позволяет вычислять любые выбранные m спектральных коэффициентов за один

цикл измерения. Для запоминания значений m базисных функций в каждом модуле предусмотрен узел 8 оперативной памяти. В зависимости от характера измеряемого сигнала в ОЗУ 1 всех модулей перезаписываются значения выбранного набора (из 1-т N) ортогональных базисных функций, входящих в набор базисов, хранящихся в блоке 4 постоянной памяти, который представляет собой перепрограммируемое постоянное запоминающее устройство (ППЗУ). В ППЗУ записаны N ненормированных базисных функций в N дискретных точках. Таких базисов в ППЗУ может быть запи

значения ненормированных коэффициентов, определяемых соотношением С. Six; -(.,(1),

где С - К-й ненормированный спект-

ральный коэффициент; X - ординаты измеряемой пространственной функции; Ц иС )- значение К-й базисной функции в i-й дискретной точке. В предлагаемом устройстве используются системы базисных функций Хаара и Уолша, принимающих значения ±1,0,

ти к операциям алгебраического сложения .

Если число входных переменных х равно шестнадцати (N 16), блок 6 вычисления спектральных коэффициентов

разбит на четыре модуля 7 (), каждый предназначен для вычисления четырех спектральных коэффициентов (т 4). Для определения спектрально- го состава входного сигнала по ортогональной системе базисных функций Хаара необходимо в ОЗУ 1 всех модуей 7 перезаписать шестнадцать ненормированных функций Хаара в шестнадцадискретной точки i (i 0,15), и посыпает импульсы записи. Два старших разряда кода номера базисной функции поступают на вход старших разрядов ад-г раса блока 4 постоянной памяти, а два младших разряда номера базисной функции и четыре разряда кода номера дискретной точки поступают на вход младших разрядов адреса блока 4. При та- 10 кой организации в ОЗУ I первого модуля 7 записываются первые четыре функции Хаара последовательно в шестнадцати дискретных точках (так как имеются импульсы записи на первом выходе 15 дешифратора 18 блока 3 управления). Затем появляются импульсы записи на втором выходе дешифратора 18 и следующие по порядку четыре функции Хаара записываются в ОЗУ 1 второго модуля 720 жимого первых ячеек ОЗУ 2 (соответ- и т.д. В ОЗУ 1 четвертого модуля 7 ствующие адресу записи 01) записыва- запишутся четыре последних функции ется опять в первые ячейки ОЗУ 2. Хаара в шестнадцати дискретных точках. Сигналы Такт 3 (пятый выход регистПосле того, как заканчивается ре- ра 13 сдвига) и Такт 4 (шестой выжим перезаписи базисных функций, сиг- 25 ход регистра 13 сдвига) осуш;ествляют налом Пуск начинается процесс изме- аналогично формирование новых час тичления (в данном случае коду 00 первого счетчика 15) открываются нулевые ячейки всех ОЗУ 2 (в исходном состоянии все ячейки ОЗУ 2 обнулены). Задним фронтом сигнала Такт 1 (инверсный выход элемента 1-ШИ 14) алгебраическая сумма результата измерения и содержимого нулевых ячеек ОЗУ 2 опять записывается в нулевые ячейки ОЗУ 2.

Во время действия сигнала Такт 2 (формирующегося на четвертом выходе регистра 13 сдвига) на выходах ОЗУ 1 всех модулей устанавливаются значения первой, пятой, девятой и тринадцатой (Н,, Hj, Hq, H,j ) функций Хаара в той же пространственной точке, и результат алгебраического суммирования измеренного значения и содеррения и вычисления спектральных коэффициентов . При поступлении сигнала Пуск в блок 3 управления генератор 12 тактовых импульсов формирует импульсы, поступаюш;ие на регистр 13 сдвига, которьш начинает формировать последовательность импульсов, сдвинутых по времени относительно друг друга (фиг. 4). Во время действия сигнала на первом выходе регистра 13 сдвига ЭВМ задает код номера канала (например, 000 0) на входы 3 группь блока 3 управления и с его выходов 1 поступает код на адресные входы коммутатора 1, который подключает аналоговый сигнал соответствующего датчика (xg) к измерительному входу АЦП 2, в котором начинается процесс А-Ц-пре- образования по управляющему сигналу с выхода 2 блока управления, который заканчивается к моменту появления импульса на третьем выходе регистра 13 сдвига. Вычисление частичных сумм (x; tp(i)) в модулях производится за m тактов, в нашем примере за четыре такта. Передним фронтом импульса Такт 1 fформирующегося на третьем выходе регистра 13 сдвига на выходах ОЗУ 1 всех модулей устанавливаются значения нулевой, четвертой, восьмой, двенадцатой (Нд, Н, Hg, Н ) функций Хаара в точке 0. По коду адреса записи с выходов 5 блока управжимого первых ячеек ОЗУ 2 (соответ- ствующие адресу записи 01) записыва- ется опять в первые ячейки ОЗУ 2. Сигналы Такт 3 (пятый выход регистления (в данном случае коду 00 первого счетчика 15) открываются нулевые ячейки всех ОЗУ 2 (в исходном состоянии все ячейки ОЗУ 2 обнулены). Задним фронтом сигнала Такт 1 (инверсный выход элемента 1-ШИ 14) алгебраическая сумма результата измерения и содержимого нулевых ячеек ОЗУ 2 опять записывается в нулевые ячейки ОЗУ 2.

Во время действия сигнала Такт 2 (формирующегося на четвертом выходе регистра 13 сдвига) на выходах ОЗУ 1 всех модулей устанавливаются значения первой, пятой, девятой и тринадцатой (Н,, Hj, Hq, H,j ) функций Хаара в той же пространственной точке, и результат алгебраического суммирования измеренного значения и содерных сумм во вторых и третьих ячейках ОЗУ 2. При этом во вторые ячейки записывается результат, соответствуюш;ий значениям Хаара Н,, Н, Н,,, Н,, а в третьи ячейки записывается результат суммирования, учитываюш 1й значения

ункций Н, HY, П

Н

5 В нулевой

точке. Таким образом в ячейках ОЗУ 2 записались следующие частичные суммы: о-Ч о(О), х.ерДо), х„.ср(0),. .. , „ .(О).

Далее блок управления подключает первый датчик на вход аналого-цифрового преобразователя и при образовании нового результата измерения производится суммирование кодов, хранящихся в ячейках ОЗУ 2, с новым измеренным значением пространственного сигнала х с учетом значений базисных функций в первой точке: Xj, Cpo(0) + + X, Cfo( 1 ), Хд-ч,(0) + X, . q, (1),..., х„.с,у(0) + х,.ср,5-(1).

В итоге к концу цикла измерения в ячейках ОЗУ 2 накапливаются ненормированные значения коэффициентов Хаара:

С, x,.ef,(0)+x, ,.q.(2) +

+ ... + x,5-q (l5)

С, Хо-ср,(0) + x,.cf, (1) ,/2) + + ... + x,5-Lf,(l5)

C,s

+ X,

х„.ч.„(0) +

Ч .,(2)

После окончания процесса вычисления спектральньгх коэффициентов на вход 6 блока управления от ЭВМ поступает шестнадцать импульсов считывания, изменяющих состояние счетчика 16 блока управления, четырехразрядный выходной код которого является адресом считывания вторых ОЗУ всех модулей. Старшие два разряда этого кода поступают на входы дешифратора 17. Вьгкоды дешифратора 17 образуют входы разрешения считывания блока 11 буферных элементов. При поступлении первых четырех импульсов считывания появля- ется разрешение считывания на первом выходе дешифратора 7 и производится считывание первых четырех коэффициентов Хаара через блок 11 первого модуля 7. При поступлении следующих че- тырех импульсов считывания имеется разрешающий потенциал на втором выходе дешифратора 17 и производится считывание следующих четырех коэффициентов () из второго модуля и т.д.

В процессе считывания коды ненормированных коэффициентов Хаара последовательно поступают на первые информационные входы преобразовате- ля 5. Его основной частью является схема нормирования значений С, .включающая шифратор 19 и мультиплексор 20 Принцип работы данной схемы заключается в следующем. Так как функции Ха- ара, в базисе которых осуществляется разложение, имеют различные интервалы .определения в диапазоне задания измеряемой пространственной функции, то и число суммирований частичных сумм для каждой группы вычисленных коэффициентов различно. Оно убывает по мере роста номера группы и зависит также от числа точек задания пространственной функции. В силу этого, различными должны быть и нормирующие множители для различных групп коэффициентов.

В таблице приведены значения нормирующих множителей в зависимости от номера коэффициента при числе точек измерения Н 16.

Теоретически самых наибольших значений может достигать ненормирован-. ный коэффициент С в условиях, когда результаты измерения во всех 16-ти каналах имеют максимальные по модулю значения (х. кодируются десятью двоичными разрядами):

I Г I о и

l oLaKC- 2

(2

(О

0

5 0

0 5 0 5

o

5

Для кодирования данных значений достаточно 14 двоичных разрядов + знаковый. Максимальные модули всех последующих коэффициентов из групп, указанных в таблице, будут иметь уменьшающие кратно двум значения. В этом случае нормирование коэффициентов сводится к взятию в процессе считывания восьми (если выходной код С, восьмиразрядный) старших значаш 1х разрядов в каждой из соответствующих групп г (для коэффициентов С и С, берутся разряды с 8 по 15, для С и С - с 7 по 14 и т.д.). Такой переменный сдвиг реализуется с помош,ью мультиплексора 20, который в зависимости от комбинации на адресных входах выбирает требуемую группу разрядов. Адрес формируется с помощью шифратора 19, управляемого кодом номера коэффициента, поступающим с выходов 3 блока управ- 5 ления. С выхода мультиплексора 20 код нормированных коэффициентов Хаара подается на первый вход компаратора 22, где он сравнивается с установкой, поступающей из ЭВМ на входы D2. Приз- наком С больше установки разрешается выдача данного С в ЭВМ.

Таким образом, предлагаемое устройство позволяет совместить процессы измерения и вычисления спектральных коэффициентов, т.е. расширить функциональные возможности системы, а также осуществить сжатие информации. Уменьшение объема выходной информации зависит от отношения количества коэффициентов , необходимых для аппроксимации пространственной функции с заданной погрешностью к числу входных величин N. Степень сжатия исходной информации зависит от вида входной функции, типа базисных функций, требуемой погрешности устройства. Отношение во многих случаях может быть значительным.

При этом общее быстродействие устройства практически не снижается, поскольку вновь введенные узлы представляют собой цифровые блоки с более высоким быстродействием по сравнению с АЦП и коммутатором.

Узлы и блоки устройства могут быть реализованы на следующих серийно выпускаемых микросхемах: коммутатор 1 - К590КН2, АЦП2-К1113ПВ1, блок 4 постоянной памяти (ППЗУ) - К556РТ5 или

К556РТИ, магистральный передатчик 21 К559ИП1, узлы 8 и 10 оперативной памяти - К155РУ7, сумматор 9 - К155ИМЗ, блок 11 буферных элементов - К155ЛП8, шифратор 19 - К155ИВ1, мультиплексор 20 - К155КП7, компаратор 22 - К155ИМЗ, блок 3 управления - на микросхемах серии К155.

Формула изобретения

1. Многоканальное устройство для ввода аналоговых данных, содержащее коммутатор, аналого-цифровой преобразователь и блок управления, первый выход и выходы первой группы которого соединены соответственно с управляющим входом аналого-цифрового преобра- зователя и адресными входами коммутатора, информационные входы которого являются входами аналоговых данных устройства, выход коммутатора соединен с информационным входом аналого- цифрового преобразователя, отличающееся тем, что, с целью расширения области применения устройства за счет организации спектрального представления аналоговых данных и уменьшения объема вводимой ин- формации, устройство содержит блок постоянной памяти, преобразователь кодов и блок вычисления спектральных коэффициентов, содержащий сумматоры, буферные элементы и две группы узлов оперативной памяти, адресные входы первой группы блока постоянной памяти объединены с входами адреса записи узлов оперативной памяти первой группы и являются входами младших разрядов кода номера базисной функции устройства, адресные входы второй группы блока постоянной памяти объединены с входами первой группы блока управления и являются входами старших разря- дов кода номера базисной функции устройства, выходы блока постоянной памяти соединены с информационными входами узлов оперативной памяти первой группы, выходы которых соединены со знаковыми входами соответствующих сумматоров, выходы которых соединены с информационными входами соответствующих узлов оперативной памяти второй группы, выходы которых соединены с первыми группами информационных входов соответствующих сумматоров и информационными входами соответствующих

0

5

g

0

35 40 45 50 55

буферных элементов, выходы которых объединены и соединены с информационными входами первой группы преобразователя кодов, выходы которого являются информационными выходами устройства, первый, второй, третий и четвертый входы блока управления являются соответственно входами Запись, Пуск, Сброс и Считывание устройства, входы второй группы блока управления являются входами номера канала устройства, выходы второй, третьей, четвертой и пятой групп блока управления соединены соответственно с адресными входами преобразователя кодов, входами адреса считывания узлов оперативной памяти первой группы, входами адреса записи узлов оперативной памяти второй группы и входами адреса считывания узлов оперативной памяти второй группы, каждый из выходов шестой группы блока управления соединен с входом разрешения записи соответствующего узла оперативной памяти первой группы, каждый из выходов седьмой группы блока управления соединен с входом разрешения считывания соответствующего буферного- элемента, второй выход блока управления соединен со стробн- рующими входами узлов оперативной памяти второй группы, выходы аналого- цифрового преобразователя соединены с вторыми группами информационных входов сумматоров, информационные входы второй группы преобразователя кодов являются входами кода уставки устройства, блок управления реализует временную диаграмму работы.

2. Устройство по п. 1, о т л и - чающееся тем, что, преобразователь кодов содержит шифратор, мультиплексор, компаратор и магистральный передатчик, выходы которого являются выходами преобразователя, входы шифратора являются адресными входами преобразователя, выходы шифратора соединены с адресными входами мультиплексора, выходы которого соединены с информационными входами магистрального передатчика и входами первой группы компаратора, выход которого соединен со стробирующим входом магистрального передатчика, информационные входы мультиплексора и входы второй группы компаратора являются информационными входами соответственно первой и второй группы преобразователя.

0; 1

2; 3

Д-7

8-15

-3

э Мпадшие розрл ы II

Пуск

S3BM

Изобретение относится к измерительной и вычислительной технике и может быть использовано при построении высокопроизводительных систем сбора и обработки аналоговых данных, а также для сжатия информации при измерении и обработке совокупности входных величин, являющихся функцией пространственной координаты. Цель изобретения - расширение области примене- .. ния устройства за счет организации спектрального представления аналоговых данных и уменьшения объема вводимой информации. Устройство содержит коммутатор, цифроаналоговый преобразователь, блок управления, блок постоянной памяти, блок вычисления спектральных коэффициентов, преобразователь кодов. На информационные входы коммутатора в аналоговой форме поступают значения измеряемой функции пространственной координаты. Принцип работы устройства основан на спектральном разложении измеряемой функции по базисной системе ор тогональных функций, т.е. на основе данных измерения вычисляются спектральные коэффициенты разложения, которые затем вводятся в ЭВМ. Информация о значениях базисных функций в точках измерения хранится в блоке постоянной памяти. В качестве базисных используются функции Хаара и Уолша, принимающие значения . Это позволяет упростить вычисление спектральных коэффициентов. Процессы измерения и определения спектральных коэффициентов совмещены по времени, 1 з.п. ф-лы, 5 ил., 1 табл. С/)