ДОСЛІДЖЕННЯ І РОЗРОБКА АЛГОРИТМІВ ЦИФРОВОЇ ОБРОБКИ СИГНАЛІВ І МІКРОПРОЦЕСОРНИХ СТРУКТУР ДЛЯ АНАЛІЗУ СТАНУ КОНЦЕНТРАЦІЇ МЕТАНУ В ШАХТНІЙ АТМОСФЕРІ
Виростков М. О., Краснокутський В. О.
Донецький національний технічний університет
В цій доповіді розглядаються алгоритми цифрової обробки сигналів, їх розробка та реалізація для аналізу стану концентрації метана в шахтній атмосфері. Основною метою являється визначення можливості реалізувати аналіз концентрації метана в шахтній атмосфері цифровими методами, при цьому необхідно підібрати оптимальний алгоритм обчислювання отриманих даних, визначити необхідні параметри метода і обчислювача.
1. Існуючі рішення.
В наш час апаратною основою системи збору первинної інформації про стан процесів провітрювання є комплекс підземних і поверхневих апаратних засобів: комплекс “МЕТАН” або “ВЕТЕР” – для виміру і контролю концентрацій метана в шахтній атмосфері, в основі якого лежать фільтрація, що реалізується аналоговими фільтрами.
До складу систем входять датчики, лінії зв’язку та апарат сигналізації (АС). АС формує безупинний синусоїдальний сигнал від кожного підключеного датчика, якщо концентрація метану не перевищує заданий рівень (2,5%). У випадку перевищення концентрації заданого рівня відповідний синусоїдальний сигнал переривається з частотою 3 – 5 Гц.
АС може бути вилучений від пристрою збору і первинної обробки інформації на відстань 11 км. Зі збільшенням довжини лінії передачі сигналів від АС зменшується амплітуда сигналу до рівня 20 мВ при максимальній амплітуді сигналу на виході АС.
Отже, можна сформулювати вимоги до пристрою введення й обробки сигналів від автомата сигналізації:
- необхідно розділяти сигнали про стан датчиків метану;
- частоти дорівнюють 1, 14, 20 та 26 кГц;
- при наявності інформаційної частоти необхідно формувати сигнал, що говорить про нормальний режим роботи;
- з появою імпульсу з частотою 3 – 5 Гц необхідно формувати сигнал, що повідомляє про перевищення рівня концентрації метану або про обрив лінії;
- динамічний діапазон вхідного сигналу змінюється від 20 до 200 мВ;
- при реалізації пристрою необхідно врахувати гальванічну розв'язку для забезпечення безпеки при можливій появі іскри ланцюга, який єднає пристрій введення й обробки з АС;
- резистори, конденсатори, діоди та операційні підсилювачі піддані впливу температури – їх властивості та характеристики змінюються при її зміні;
- із часом аналогові елементи старіють, що впливає на їх властивості;
- такі елементи як резистори та конденсатори мають допуски. Їх параметри визначаються тільки в межах 10% від заданої величини.
2. Рішення, що пропонується.
Вирішення проблем недоліків аналогових засобів можливе завдяки використанню систем цифрової обробки сигналів (ЦОС систем) [1].
Перехід від аналогової обробки сигналу на цифрову обумовлений наступними корисними властивостями ЦОС систем:
- програмованість: один і той самий цифровий пристрій може виконувати багато функцій. Кожна нова функція потребує зміни ПЗ ЦОС системи;
- модернізація: якщо система вже розроблена та функціонує, то додавання нової функції або зміна її властивостей потребує модифікацію програми.
Ці якості цифрових систем допоможуть зменшити вартість пристрою перетворення інформації, зменшити витрати на експлуатацію та наладку системи взагалі, та одночасно підвищити надійність системи, збільшити вірогідність отриманої інформації [2] про стан атмосфери шахти. Однак для проектування ЦОС системи необхідно провести дослідження алгоритмів цифрової обробки сигналів від АС.
Позитивність цифрових методів обробки також заключається у використанні спеціальних процесорів ЦОС. Їх архітектура має збалансоване сполучення високопродуктивного ядра процесора з швидкодійними шинами: пам’яті програми, пам’яті даних, прямого доступу до пам’яті. Будь-яка обчислювальна команда в ядрі може бути виконана за один такт. Шини і кеш команд забезпечують швидкий, безупинний потік даних в ядро процесора з ціллю підтримки потрібної продуктивності [2].
Для можливої реалізації аналізу концентрації метана на процесорі цифрової обробки сигналів необхідно обрати алгоритм реалізації. До складу алгоритмів входять дискретне перетворення Фур’є та його модифікації, що виконуються швидше. Взагалі алгоритми ЦОС це засоби, які визначають спектр сигналу (частоти, які до нього входять) [3].
Визначається сукупність параметрів:
- умовний час виконання різних алгоритмічних методів;
- в якості алгоритмічного методу обрано дійсне швидке перетворення Фур’є;
- N – розмірність швидкого перетворення Фур’є;
- формат представлення даних;
- можливість методу не реагувати на перешкоди в результаті.
Враховуючи параметри методу, визначаються параметри обчислювача.
Реалізовані програмні засоби для дослідження і вирішення необхідних параметрів метода. В середовищі MATLAB програми дискретного, швидкого комплексного і швидкого дійсного перетворення Фур’є було досліджено на факт найшвидшої, була визначена розмірність швидкого перетворення (N = 128), формат даних і можливість отримання вірних результатів при можливих перешкодах в електричних лініях зв’язку.
Для демонстрації роботи програми, ближчій до реальних умов, програмні засоби було написано на мові програмування С++.
Література.
1. Сергиенко А. Б. Цифровая обработка сигналов: Учебник для вузов. 2-е изд. – СПб.: Питер, 2006. – 751 с.: ил.
2. Научно-техническое руководство по цифровой обработке сигналов. 2-е изд. Стивен В. Смит. 1997-1999, Калифорнийское техническое издательство Сан-Диего, Калифорния. Перевод выполнен фирмой Автэкс Санкт-Петербург. Авторы перевода: Покровский В. Н., Силантьев В. И., 2001.
3. Калабеков Б. А. Микропроцессоры и их применение в системах передачи и обработки сигналов. Учеб. пособие для вузов, 1988, 368 с.
|