FQi/%RiXjx, a при преобразованиях информации, выполняемых в реальном времени, - скоростью преобразования Рвх/кр-Хц.

Если известны количество элементарных операций Ni, N2, ..., необходимых для выполнения заданного преобразования, и время выполнения этих операций п, тг, . -., то тогда нужно, чтобы было удовлетворено неравенство

Это выражение справедливо для случая, когда разрядность слов, поступающих в ЭВМ, меньще или равна разрядности слова ЭВМ. Если вычислительные процедуры выполняются с запаздыванием, то хгггц при расчете не учитывается.

Чтобы оценить возможность использования ЭВМ в качестве функционального устройства системы, в первую очередь необходимо иметь сведения о следующих характеристиках ЭВМ:

разрядности слова;

времени записи слова в память;

времени выдачи слова из памяти;

времени выполнения элементарных вычислительных операций (сложения, умножения, деления и др.).

Зная количество элементарных операций, необходимых для получения результата работы ИИС, количество операций обращения к памяти ЭВМ и формирования служебной информации с помощью ЭВМ, можно определить, достаточно ли быстродействие ЭВМ для того, чтобы все эти операции были произведены за заданное время Тц.

Оценка количества всех программно выполняемых операций возможна лишь после того, как будет составлена полная программа выполнения задания в машинных кодах ЭВМ. Однако для выбора ЭВМ по времени выполнения операций достаточно использовать примерный подсчет объема таких операций. Для определения этого объема могут использоваться несколько способов [21.7]. При одном из них оценка объема элементарных операций определяется в результате рассмотрения решенных ранее аналогичных задач. Положим, анализ программы для решения системы п линейных уравнений методом Гаусса показал, что необходимо провести операции: сложения Ni=n{n-l)/3, умножения N2=n{n-l)/3 и деления Nz-n{n-1)/2. Общее количество элементарных арифметических операций с учетом сложности Л^а=Р1Л^1+Р2Л^2-ЬРзЛз- Неарифметические операции увеличат общий объем до \N=K-Na, где К - коэффициент, который в ряде случаев равен 3-4.

Если программирование велось на языке высокого уровня, то необходимо, учитывая статистический анализ программ, ввести еще один множитель. По данным [21.7], для языка АЛГОЛ-60 значение этого коэффициента равно 2-3.

Очевидно, подобная оценка объема элементарных операций может быть проведена для решения системы уравнений разного порядка. В [6.1] приведены выражения, позволяющие найти объ-

емы элементарных операций для обращения матриц, решения задач линейного и квадратичного программирования, нахождения корней полиномов.

Для экспериментальной оценки объема операций и динамики реализации сложных программ используются так называемые измерительные мониторы. С помощью таких мониторов измеряются параметры, характеризующие загруженность или интенсивность использования аппаратных и программных компонентов.

Аппаратные измерительные мониторы подключаются к определенным точкам шин ЭВМ, выявляют сигналы с помощью датчиков (зондов, щупов), обладающих высокоомным входом, производят фильтрацию и комбинирование сигналов, подсчитывают время и число событий.

Программные мониторы - программы, в соответствии с которыми производится анализ реализуемых алгоритмов.

При третьем способе оценка объема элементарных операций относительно простых алгоритмов может быть произведена непосредственно из их анализа. Имеется несколько предложений по форме представления алгоритмов, удобной для анализа. Так, в [14.6] предлагается использование структурных схем программ, представленных в виде графа, вершины которого изображают команды, а дуги определяют логическую последовательность их выполнения. Отмечается, что аналитическая оценка объема элементарных операций годна только для оценки в первом приближении, а в некоторых случаях вообще не может быть получена (например, если отсутствует информация о количестве циклов).

В [6.1] описывается метод упрощенного структурного программирования, при котором составляется блок-схема процесса преобразования информации. Эта блок-схема содержит последовательность элементарных вычислительных операций типа сложения, интегрирования, сравнения и операций ввода и вывода информации (аналого-цифровые и цифро-аналоговые преобразования, считывание показаний и т. п.).

Перечисленные операции реализуются в виде стандартных подпрограмм или микропрограмм в памяти ЭВМ. Организуется программа транслятора, содержащая таблицу адресов операторов в порядке их выполнения. Затем интерактивная программа моделирования ЭВМ позволяет отладить и проанализировать исследуемый алгоритм. Упрощенные структурные программы позволяют определить количество элементарных операций, необходимых для выполнения данной вычислительной задачи. Конечно, главное их назначение заключается в подготовке прикладных программ работы ЭВМ.

Несколько большие возможности для подготовки прикладных программ и оценки необходимого быстродействия и емкости памяти представляют СЛСА. Нужно отметить, что при составлении прикладных программ в машинных кодах, базирующемся на использовании СЛСА, можетбыть использована методика стандартных подпрограмм. СЛСА позволяют формально описать совмест-

ную работу как аппаратной, так и программно-управляемой частей ИИС. Естественно, что для составления прикладных программ должны учитываться только те элементы СЛСА, которые связаны с программным управлением и выполнением операций.

Приведем пример анализа СЛСА в целях определения быстродействия и емкости памяти ЭВМ, участвующей в выполнении этого алгоритма и управляющей его реализацией.

Положим, ЭВМ в составе локального ИВК (рис. 21.13) должна не только управлять, но и производить, вычислительные процедуры, необходимые для получения в реальном времени коэффициентов

п

аппроксимирующих многочленов = 2 гФг /- Проанализируем

г = 1

X

PROM WVijW

Рис. 21.13. Локальный измерительно-вычислительный комплекс:

с - жесткое соединение блоков; б - соединение через приборный интерфейс

СЛСА для работы с жестким соединением блоков и с объединением их с помощью стандартных цифровых интерфейсов (приборного и стандарта КАМАК).

Рассмотрим СЛСА для жесткого соединения блоков (рис. 21.13,а):

начальное состояние (Ss относится к устройству памяти RAM)

ф[1=0; /=0; 2.г,г15,=0; 5з:ф/11]Х

X [1(.)11 ... III(i)II .- 111(-.)]Х

коммутация и аналого-цифровое преобразование ИФУ-1, ИФУ-2

ХФ (В; - )1Фо( := + 1; \){[ЛХ[кг, н)Х 1

XUxJzr, тдцп)1 (5:г,; .J]x вычисление коэффициентов Cj

X 1[ Lф„ (/:=/ + !; -о) 1, (R:Фч-; -п)]} К S tbj = х

--1 I-:-

Xi=2 vH-сл) I, 5:22,-фгу;п

1=1 1 .

X о (/ т; t Jш„ (i =: л; -с,) ~] у

регистрация коэффициентов

X I{W:c,.c,.....с„- Ф„(Е;

Здесь Тп -- время обращения к памяти; Тл - время выполнения логической операции, тум - умножения, Тсл - сложения, то - передачи команды, Тпеч - печати.

Аппаратная реализация в СЛСА занимает время Та=п(Тк + -f-c дцп)+оттпеч, а программная реализация Тпп[(то+Тп--Тл)-1-±и(тум+Тсл+Тп--Тл)]. Время выполнения указанных операций в ЭВМ должно быть известно. При объединении блоков с помощью приборного интерфейса (рис. 21.13,6) СЛСА будет иметь следующий вид (напомним, что типовая операция обмена информацией в приборном интерфейсе обозначается буквой Н):

начальное состояние

ф(1=0, /=0; 2ггг1)> -=0; S3: 11чр.;1)Х

X[I(xi) ... 11(х011 ... 1(х.)]Х !

коммутация и аналого-цифровое преобразование

XL{H[Ado(I), Фо(5); тн] [Ado(0)©o(R)]X

X Н[Фо (i: =t-Ь1; тн) ] Н[Ado(l); тн]X :

Xh(X/Xi, т„); 12(л:,/2,;1:ацп)Х XH[Ado(2), Фо(К); тн] [Ado(0)Фo(S)]X XH[l2C2,)lIo(S:2,; тн)] H[Ado(2); тн]}Х вычисление коэффициентов Cj X L{H[AdJ3), ФЛ5); х^] [Ad (0)ФЛR)] Н[ФЛу:-/ + 1; У X

X H[Ad (3). Ф„(Р); [Ad (>0)ФЛS)]X

X Н

\ 1=\ J

H[Ad (3); . 1

\i=l 1=1

XH[Ad (3). ФЛ5); [Ad (0)ФЛR)]X

R:2 14

L \ =1

S: H 2ф,-у; X ЩАд^З) ; th]} %ii=m)Sx

X co(i = )-l lЛW:c,. c ..., c, ; ттФ„(Е).

в этих алгоритмах [Ado(O) Фо(Н)], [Ado(O) Фо(5)]-местные команды (сообщения) о том, что приборная часть блока управ-ления ИФУ-0 принимает функции источника или приемника, Ас!оФБП или А(5оФБИ - интерфейсная команда о прекращении выполнения функций приемника и источника после операции <Фукопожатия .

Суммарное время обработки измерительной информации не более пт (тум+Тсл), а выполнения остальной программы п(6тя-Ьтк+ Сдцп + 8ттн. Времена выполнения операций рукопожатия Тн зависят от быстродействия функциональных блоков, участвующих в операции обмена информацией.

Рассмотрим СЛСА этого к®мплекса в стандарте КАМАК-Введем сокращенное обозначение операции обмена информацией

<К(Л^*, Ф*,/*)>:=

= [Л^* II SbAd* IIФ* IIФ (/*) ] [Г* I (R)\X

X[Ф(7l)III(W:/*)] [Ф(Г2)7*].

На выполнение этой операции затрачивается время Ткк. Начальное состояние

ф[1 = 0; /=0; 2гф,-=0; S3 : я15,];

коммутация и аналого-цифровое преобразование

[I(x,)l...i(I(.,)...I(J] Ф„(В; . )Х X L Ф„(1 = 1+1; %) {K{Ad{l),SbAd(i); Ф^(К); х ,] ) X

X I, {Xjxi; xJ I, {Kilz- х^цп) X

X9.(R:zO {K{Ad{2), 0R:Zi), l{z{), I (S:2,); ); I-1 I I

вычисление коэффициентов с-,

ХЬФо(/:=/+1; \) (К

1=1 I

1-\ \ V

)Х

Ad,{?>)- 0(S); I

X l (W:Ci, ..... х^еч) *o(E; %)-

Аппаратная реализация работает в течение времени Тап : ;п(тк+1:дцп)+тт:1еч, время реализации программы

Тпр^п[2Ткк + т (То-Ь2Ткк-ЬТум-ЬТсл-Ь2Тл) ],

где Ткк - время выполнения операции крейта КАМАК.

Произведем сравнение затрат времени на реализацию СЛСА для рассматриваемого случая.

Аппаратная часть реализации СЛСА у вариантов с жестким соединением функциональных блоков и ИФ КАМАК занимает примерно одинаковое время. У варианта СЛСА с использованием приборного интерфейса для организации обмена информацией между блоками необходимо дополнительное время, равное п(5т+4)тк. Время Тн может быть определено лишь для конкретного состава участвующих в работе блоков.

Обмен информацией в стандарте КАМАК осуществляется преимущественно программным путем, и это должно быть учтено! при выборе ЭВМ.

Результаты проведенного анализа позволяют перейти к выбору ЭВМ по быстродействию. Необходимо, чтобы тап+Тпр^Тц, а следовательно, ЭВМ должна иметь быстродействие, позволяющее обеспечить время реализации программ, не превышающее заданное.

Если необходимо решать вопрос, связанный с использованием одной ЭВМ для участия в реализации нескольких СЛСА, то в дополнение к анализу каждой СЛСА следует составить и проанализировать СЛСА, определяющую программу такой работы системы в целом.

Накопленный опыт позволил провести некоторые обобщения связанные с применением микропроцессоров и ЭВМ [6.1, 21.7].

При обработке данных и в процессах управления выполняются примерно 5-10 вычислительных операций над каждым словом, при научно-технических расчетах - до 100 операций.

Относительный вес операций при обработке данных: сложение и вычитание - 51,6; умножение и деление-19,2; логические операции 5,9; сравнение - 3,2; прочие операции - 20,1.

С увеличением числа п параллельно работающих МП производительность мультимикропроцессорной системы растет по закону loggH, а живучесть системы может повыситься на 1-2 порядка.

Можно проследить тенденцию, связанную с приближением аналого-цифровых преобразований к источникам информации и с объединением АЦП и МП.

Если реализуемые устройством логические функции просты, т. е. имеют небольшое число входных, выходных переменных и внутренних Состояний, то экономичнее аппаратурная реализация с фиксированной логикой (при условии, что обеспечивается при этом нужное быстродействие). Если логические функции сложны и возможны их изменения, то целесообразна микропроцессорная реализация логических устройств.

Программирование упрощается, еслп программы разделяются на модули и исключается прерывание программ.

Разработанную программу измерительно вычислительной системы целесообразно сначала записать в ОЗУ, после отладки - в перепрограммируемые ПЗУ, эксплуатировать некоторое время и лишь после этого внести в ПЗУ.

Составление программ может основываться на использовании составленных СЛСА.

В заключение этой главы нужно подчеркнуть, что ИИС могут быть не только разомкнутыми, но и замкнутыми (компенсационными), что они могут содержать не только аналоговые и цифровые, но и дискретные (импульсные) преобразователи. Поэтому для их рассмотрения должны использоваться соответствующие интегральные и дифференциальные методы анализа. К ним можно отнести: для линейных аналоговых узлов - преобразования Лапласа, для дискретных - Лапласа - Галуа, для цифровых узлов- 2-преобразования и т. п.

Основная область применения изложенного здесь материала - приближенная оценка времени измерения на начальных стадиях проектирования ИИС разомкнутого типа, содержащих аналоговую и цифровую, части.

Г л а в а 22 .

НОРМИРУЕМЫЕ МЕТРОЛОГИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ИЗМЕРИТЕЛЬНЫХ СИСТЕМ

22.1. ОБЩИЕ ПОЛОЖЕНИЯ

Под метрологическим обеспечением РШС понимается комплекс мер, направленных на достижение и поддержание в этих системах требуемой точности измерения. Метрологическое обеспечение ИИС на стадиях их разработки, производства и эксплуатации решает различные задачи [22.1].

На стадии проектирования должны быть выполнены метрологическая экспертиза проектов технических заданий и документации на ИИС, разработка технических средств и методик метрологической аттестации и поверки ИИС, государственные или ведомственные приемочные испытания или метрологическая аттестация (для ИИС единичного производства), метрологический надзор за разработкой ИИС.

Метрологическое обеспечение ИИС на стадии производства включает главным образом контрольные испытания и метрологический надзор за технической документацией и технологией изготовления ИИС.

При внедрении ИИС, комплектуемых на объектах эксплуатации из агрегатированных средств, должна проводиться метрологическая аттестация измерительных каналов ИИС и методик вы-

полнения измерений. Эти работы должны обязательно делаться и для ИИС, основанных на использовании выпускаемых промышленностью ИВК.

В период эксплуатации должны быть обеспечены метрологическая аттестация ИИС в случае, если условия работы отличаются от тех, при которых нормировались их метрологические характеристики, аттестация после ремонта, периодические поверки, надзор и контроль за применением ИИС.

Кроме перечисленного в метрологическое обеспечение должны входить методики выполнения измерений (AVBH) и испытаний (МИ). Под методикой выполнения измерения понимают рекомендации по выбору технических средств и методов их применения, а также оценок результатов измерений. Проводится работа по законодательному закреплению этих методик.

ГОСТ 8.437-81 регламентирует работу метрологических служб Госстандарта, министерств и предприятий, а также определяет содержание основных работ по метрологическому обеспечению ИИС.

По метрологическому обеспечению средств измерений имеется ряд государственных стандартов [22.1-22.8]. Остановимся далее на наиболее важной и ответственной части метрологического-обеспечения ИИС, заключающейся в определении комплекса нормируемых метрологических характеристик (МХ) и разработке методов и средств поверок МХ основной разновидности ИИС - измерительных систем. Целесообразно также остановиться на методах автоматической коррекции погрешностей ИС, в процессе которой по сути дела осуществляется поверка точностных характеристик ИС и поддержание их в допустимых пределах.

22.2. НОРМИРУЕМЫЕ МЕТРОЛОГИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ИС

Комплекс нормируемых метрологических характеристик ИС должен позволить с должной достоверностью оценить погрешности результатов измерений, получаемых с помощью ИС, относительно просто выполнять операции поверки и обеспечить оценку метрологических свойств как большого количества, так и конкретных экземпляров ИС данного типа.

В любой ИС можно выделить измерительный канал, т. е. совокупность преобразователей информации, начиная от входа и кончая выходом системы, и измерительные компоненты, выполняющие часть преобразований канала системы. К измерительным компонентам ИС можно отнести, например, датчики, измерительные цепи, аналоговые и цифровые устройства, линии связи и т. п. МХ измерительных компонентов ИС определяются так же, как и для средств измерения вообще. Нормированию в ИС подлежат МХ измерительных каналов.

Методы регламентации и определения МХ измерительных каналов ИС следует выбирать в зависимости от особенностей систем.

Нормирование MX измерительных каналов предпочтительнее регламентировать для таких выпускаемых заводом-изготовителем ИС, которые характеризуются постоянным составом несущественно разнесенных в пространстве компонентов, легким доступом для выполнения контроля, последовательной, параллельной или параллельно-последовательной (с небольшим количеством параллельных каналов) структурой. Метрологический контроль в этом случае осуществляется путем проверки соответствия МХ измерительных каналов нормированным значениям.

Определение МХ измерительных каналов системы расчетным или экспериментальным путем предпочтительнее осуществлять для ИС, комплектуемых при монтаже на месте эксплуатации, для ИС с существенной пространственной разнесенностью компонентов, с большим числом сменных компонентов, с затрудненным доступом к ИС в целях ее контроля.

Наконец, оценку МХ измерительных каналов системы расчетным путем целесообразно устанавливать для ИС, отличающихся переменной структурой и связями между компонентами, а также большим количеством параллельных каналов. При этом контролируются МХ измерительных компонентов, а МХ каналов определяются расчетным путем. Для определения погрешности измерительного канала по известным погрешностям измерительных компонентов следует использовать материал, изложенный в гл. 20.

Экспериментальные методы определения МХ измерительных каналов ИС разумно применять для ИС, в которых влияние вза-имодействия компонентов на МХ трудно оценить заранее.

В технической документации на ИС определяются условия контроля МХ: объем выборки, допустимая погрешность измерения, минимально допустимое количество точек и их расположение в диапазоне измерения, условия проведения экспериментов. Метрологические характеристики алгоритма вычислений контролируются экспериментальным или расчетным методом на правильность регламентированных значений.

Приведем соображения о нормировании МХ измерительных каналов ИС в соответствии с ГОСТ 8.009-72.

Конкретный состав МХ уточняется для каждой ИС на стадии разработки технического задания. При оценке нормируемых МХ необходимо учитывать, что погрешности оценок МХ являются величинами второго поря,цка малости по сравнению с результатами измерений. Это обстоятельство позволяет применять приближен- ые методы оценки МХ ИС.

К нормируемым МХ основной погрешности Д относятся:

моменты систематической составляющей M[As], D[As] или (t[As], отражающие свойства всей совокупности ИС данного типа, для которого они нормированы, и предельное значение погрешности Asp;

D[Ao] для некоррелированной случайной погрешности Д^; JRao(t) для коррелироваинон погрешности До; ,

предельное значение случайной погрешности от трения и гистерезиса Аопр (обычно D [Дон] =Нор^/\2);

. функции влияния я1)() как зависимости изменения нормируемой МХ от изменения влияющих величин в пределах условий применения; если функции линейны, т. е. я1здх(£;) =ЛД5, Л=соп51, то М[ит=ЛМ{Щ, а 01-т=ЛЮ{Щ-:

передаточная функция, переходная, импульсная, амплитудно-фазовая и другие характеристики для оценки динамических свойств (заметим, что в гл. 21 и приложении 2 приводятся материалы, позволяющие получить переходную характеристику довольно сложных соединений) и время окончания переходных процессов в них, а также суммарное время выполнения измерительных, вычислительных и логических процедур.

Могут нормироваться входные и выходные полные сопротивления ИС для электрических величин. При измерении же неэлектрических величин следует выявить характеристики взаимных влияний между объектом исследования и ИС, а затем решить вопрос о нормировании этих характеристик.

Помимо указанных могут регламентироваться характеристики, специфические для данной ИС, например для телеизмерительной системы - параметры линий связи, при которых гарантируются установленные МХ системы.

Экспериментально определяются МХ измерительных каналов конкретных экземпляров ИС: индивидуальная функция преобразования, поправки к показывающим и регистрирующим устройствам измерительного канала, характеристики следующих погрешностей: Дхн и - границы интервала неисключенной систематической составляющей и вероятности Pas или нижней границы Pash ее допустимых значений, а (До), /?ао(т) или 5до(м) -среднего квадратического отклонения, нормированной корреляционной функции илн спектральной плотности мощности случайной составляющей погрешности с указанием погрешности определения этих характеристик, вариация гистерезиса.

Экспериментально определяются индивидуальные динамические характеристики измерительного канала (передаточная функция, переходная характеристика и т. п., время реакции измерительного канала), чувствительность к влияющим воздействиям, взаимодействие между объектом исследования и измерительным каналом, а также между измерительными каналами.

Погрешности экспериментального определения МХ рекомендуется выражать в виде границ интервала возможных значений погрешности и вероятности, с которой погрешность находится в этом интервале.

Остановимся на нормируемых МХ, . установленных во ВНИИЭП для выпускаемых промышленностью типовых ИВК-1 - ИВК-4, ИВК-7 и ИВК-8 (см. гл. 9) и предназначенных для работы в составе разнообразных ИИС [22.8].

После подтверждения на государственных приемочных испытаниях и принятия соответствующего решения были определены