М. А. Выростков,ИССЛЕДОВАНИЕ АЛГОРИТМОВ ЧАСТОТНОЙ ФИЛЬТРАЦИИ СИГНАЛОВ СИСТЕМЫ КОНТРОЛЯ КОНЦЕНТРАЦИИ МЕТАНА

ИССЛЕДОВАНИЕ АЛГОРИТМОВ ЧАСТОТНОЙ ФИЛЬТРАЦИИ СИГНАЛОВ СИСТЕМЫ КОНТРОЛЯ КОНЦЕНТРАЦИИ МЕТАНА

М. А. Выростков

Донецкий национальный технический университет, ФВТИ, ЭВМ

Аварийность на угольных шахтах Украины высокая. Одна из причин аварийности – превышение предельного уровня концентрации метана в рудничной атмосфере. Для контроля уровня концентрации применяются системы автоматизированного контроля. Используемые сейчас системы контроля устарели. С целью повышения безопасности работы в шахтах требуется замена существующих систем контроля состояния рудничной атмосферы.

Макеевским научно-исследовательский институтом и Донецким национальным техническим университетом был разработан аппаратно-программный комплекс КАГИ, с помощью которого осуществляется контроль концентрации метана.В системе КАГИ при определении параметров рудничной атмосферы используется система обработки сигналов от автомата сигнализации (АС), в основе которой лежит аналоговый способ обработки информации. Аналоговые фильтры – сложные устройства, которые требуют настройки в процессе изготовления и эксплуатации.Это требует периодической настройки фильтров, что значительно усложняет эксплуатацию устройств. Недостатки приводят к возрастанию стоимости производства и обслуживания аналоговых систем.Использование цифровых систем обработки сигналов (ЦОС) позволяет решить данные проблемы. В работе исследуется один из возможных подходов к решению задачи обработки сигналов от аппарата сигнализации, основанный на быстром преобразовании Фурье (БПФ).

Исследование алгоритмов ЦОС

Характеристики алгоритмов БПФ, реализованных на персональном компьютере и на процессорах ЦОС, могут отличаться: используются различные типы арифметики, различные форматы данных, различный динамический диапазон и точность представления данных. Ограниченная разрядность представления данных приводит к возникновению эффектов, которые влияют на результат работы алгоритма БПФ.Это приводит к необходимости исследовать алгоритмы БПФ с целью определения их оптимальных параметров для реализации на процессорах ЦОС. Исследования алгоритмов БПФ и алгоритма анализа состояния рудничной атмосферы проводились в системе моделирования MATLAB [2,3]. При выборе параметров алгоритма БПФ необходимо руководствоваться минимальной стоимостью аппаратной реализации устройства.Чем больше размерность БПФ, тем выше его разрешающая способность, но при этом требуются более высокие вычислительные затраты, больший объем памяти, возрастает вероятность переполнения разрядной сетки процессора. Исследования показали, что достаточно использовать 128 точечное БПФ при частоте квантования входного сигнала 64 кГц.Использование формата данных с плавающей запятой позволяет, как правило, исключить возникновение переполнения разрядной сетки при вычислении БПФ. Однако, стоимость процессоров, выполняющих операции с плавающей запятой, значительно выше процессоров с фиксированной запятой. Для многих задач ЦОС 16 разрядного формата с фиксированной запятой вполне достаточно.Эффекты квантования данных отражаются на результатах математических операций, выполняемых сумматорами и умножителями. Отсюда следует, что процесс проектирования системы ЦОС должен включать анализ эффектов квантования применительно к тем процессорам, на которых предполагается реализовать алгоритм БПФ. В MATLAB есть функции, которые дают возможность работать с тремя типами объектов – квантователями сигналов, квантованными фильтрами и квантованным БПФ, используя разные форматы представления данных.Исследования квантованного БПФ с квантованными входными данными показали, что квантование входного сигнала по уровню не оказывает существенного влияния на спектр сигнала. Это означает, что может быть использован 8 разрядный аналого-цифровой преобразователь. Для исследования влияния шумов на работу алгоритма БПФ при малом входном сигнале использовалась программа MATLAB randn(m, n), которая генерирует дискретный белый шум с нормальным распределением. Исследования показали, что алгоритм 128 точечного квантованного БПФ позволяет легко выявлять частоты сигналов, если помеха не превышает по величине их амплитуду. В противном случае требуется повысить размерность БПФ.При реализации алгоритма БПФ в процессорах ЦОС трудно точно реализовать частоту квантования входного сигнала, кратную степени 2. Может возникнуть явление "растекания" спектра. Однако это не мешает зафиксировать наличие сигнала определенной частоты.С целью исследования и отладки алгоритма анализа состояния рудничной атмосферы разработана программа на языке Visual C++ с графическим интерфейсом, обеспечивающим вывод информации о состоянии АС и работе алгоритма анализа состояния рудничной атмосферы.

Заключение

Эксперименты показали, что алгоритм БПФ может быть реализован на относительно недорогих 16 разрядных процессорах ЦОС, имеющих возможность выполнять арифметические операции в формате [M N]. Для ввода входного сигнала может быть использован 8 разрядный АЦП с частотой преобразования до 100 кГц. Небольшая размерность алгоритма БПФ позволяет реализовать эффективные алгоритмы обработки сигналов, поступающих от нескольких АС, что сокращает затраты оборудования в системе контроля за концентрацией метана. Применение цифровых методов обработки сигналов в системе контроля рудничной атмосферы позволяет упростить наземное оборудование системы контроля, повысить достоверность получаемых результатов, сократить затраты на обслуживание системы, уменьшить трудоемкость производства и наладки оборудования.

Литература

Рабинер Л., Гоулд Б. Теория и применение цифровой обработки сигналов/ Пер. с англ.; Под ред. Ю.А. Александрова.- М.: Мир, 1978.- 836с.
Сергиенко А. Б. Цифровая обработка сигналов: Учебник для вузов. 2-е изд. – СПб.: Питер, 2006. – 751 с.: ил.
В. Дьяконов MATLAB 6: Учебный курс. СПб.: Питер, 2001. – 592 с.: ил.