Исследование оптико-электронной системы контроля состояния средств освоения ресурсов мирового океана с целью оптимизации объемов информационных потоков и структуры системы

ИССЛЕДОВАНИЕ ОПТИКО-ЭЛЕКТРОННОИ СИСТЕМЫ КОНТРОЛЯ СОСТОЯНИЯ СРЕДСТВ ОСВОЕНИЯ РЕСУРСОВ МИРОВОГО ОКЕАНА С ЦЕЛЬЮ ОПТИМИЗАЦИИ ОБЪЕМОВ ИНФОРМАЦИОННЫХ ПОТОКОВ И СТРУКТУРЫ СИСТЕМЫ

В.В. Коротаев, А.В. Краснящих, А.Н. Тимофеев

Для решения задач контроля деформации крупногабаритных инженерных сооружений, к которым относятся средства освоения ресурсов мирового океана, необходимо реализовать распределенную оптико-электронную систему (РОЭС) обеспечивающею многоточечный непрерывный контроль, что позволит получать более полную информацию о состоянии объекта [1, 3-6].

Одной из важных проблем в рамках НТП «Научные исследования высшей школы по приоритетным направлениям науки и техники» по подпрограмме "Новые авиационные, космические и транспортные технологии" (шифр 205 04.01.034) является повышения быстродействия РОЭС при оптимизации объемов информационных потоков.

Под РОЭС предложено понимать набор оптико-электронных преобразователей (ОЭП), определенным образом распределенных (разнесенных) в пространстве, времени, спектральном диапазоне, воспринимающих определенную часть информации, содержащейся в оптическом сигнале об измеряемом (наблюдаемом) объекте, и преобразующих ее в электрический сигнал, передаваемый по каналу передачи данных на центральный управляющий прибор (ЦУП). ЦУП введен в систему для восстановления общей информационной картины из частей, полученных от ОЭП, а также осуществления управления процессом собора, хранения и отображения измерительной информации. В состав РОЭС также могут входить дополнительные источники информации (ДИИ) об объекте, например, температурные датчики. Обобщая выше сказанное, стоит отметить, что РОЭС необходимо строить по блочно-модульному принципу, что позволит создать универсальную систему, способную решать различные измерительные задачи путем изменения набора блоков, входящих в ее состав. Стоит особо отметить, что РОЭС призвана обеспечивать многоточечный контроль состояния объекта.

В дальнейшем ОЭП, входящий в РОЭС, в связке с источником оптического излучения будем называть измерительным каналом (ИК) (рис.1), таким образом, в состав ИК должны входить источник и приемник оптического излучения, а также блоки интерфейса (БИ), обеспечивающий двухстороннюю связь ИК с каналом передачи данных.

ЦУП, помимо блоков, обеспечивающих сбор, отображение и хранение измерительной информации, должен обладать и БИ, обеспечивающим подключение к каналу передачи данных. ДИИ могут подключаться напрямую к ЦУП или (и) через БИ к каналу передачи данных. Количество необходимых ДИИ определяется из задачи, решаемой РОЭС.

ИК ИК ИК

1 2 • • • N

БИ I БИ 1 БИ |

ХАЗ_k

| КАНАЛ ПЕРЕДАЧИ ДАННЫХ К

I

БИ

ЦУП

БИ

ДИИ

I

ДИИ

Рис.1. Общая схема распределенной оптико-электронной системы

Примером системы контроля состояния средств освоения ресурсов мирового океана может служить РОЭС структура, представленная на рис. 1. В этой РОЭС ИК может быть построен по схеме, указанной на рис.1, только в его состав вместо ЦУП будет входить промежуточный управляющий прибор (ПУП), выполняющий функции сбора и передачи данных из своего сегмента РОЭС в ЦУП. В таком случае ИК будем называть составным в том смысле, что он представляет собой не одиночный ОЭП, а целый набор. В противном случае ИК называется простым, или просто ИК.

Накопление и обработка измерительной информации производится по управляющим командам, поступающим с ЦУП. В связи с этим каждый ИК должен получить команду на накопление, обработку измерительной информации, а также пересылку результатов измерений. В случае, когда в РОЭС нет составных ИК и все ИК имеют одинаковые характеристики быстродействия, возможны два варианта организации пересылки управляющих команд: последовательная, т.е. каждому ИК по отдельности, и широковещательная - подается одна общая управляющая команда [2]. В варианте с широковещательными управляющими командами РОЭС работает приблизительно в N (число ИК в системе) раз быстрее, что позволяет существенно уменьшить объем передаваемых управляющих команд и ускорить процесс получения полной картины состояния объекта.

В качестве приемников оптического излучения в ИК используются оптико-электронные датчики с матричным фотоэлектрическим преобразователем на основе приборов с зарядовой связью (ФПЗС).

В таком датчике на ФПЗС 6 (рис.2), находящийся в приемном блоке, объективом 5 проектируются изображение контрольного элемента 1, роль которого играет инфракрасный излучающий диод. Сформированный ФПЗС видеокадр (четный и нечетный) передается в блок предварительной обработки измерительной информации (БПОИИ) (рис. 3), находящийся в непосредственной близости к ФПЗС. В БПОИИ захваченный кадр оцифровывается с помощью АЦП. БПОИИ, связанный через блок интерфейса с персональным компьютером (ПК), выполняющим функции обработки, отображения и хранения измерительной информации, а также управления процессом сбора измерительной информации. Адресация оперативного запоминающего устройства (ОЗУ) производится под управлением блока управления (БУ) на базе счетчиков [5].

Рис. 2. Схема измерительного канала: 1 - инфракрасный диод, 2 - обьектив контрольного элемента, 3 - молочное стекло, 4 - диафрагма, 5 - объектив телевизионного датчика, 6 - матрица ФПЗС

В реализованном макете канала системы связь ПК с БПОИИ осуществляется по протоколу Я8-485. Протокол связи Я8-485 является наиболее широко используемым промышленным стандартом, использующим двунаправленную сбалансированную линию передачи. Протокол поддерживает многоточечные соединения, обеспечивая соз-

дание сетей с количеством БПОИИ до 32 и передачу на расстояние до 1200 м. Использование повторителей Я8-485 позволяет увеличить расстояние передачи еще на 1200 м или добавить еще 32 БПОИИ. Стандарт ЯБ-485 поддерживает полудуплексную связь. Для передачи и приема данных достаточно одной скрученной пары проводников и одной пары для питания подключенных устройств.

Рис. 3. Схема макета измерительной системы

В схеме БПОИИ используется микроконтроллер фирмы ATMEL - АТ89С2051. Микроконтроллер АТ89С2051 не имеет возможности адресации внешнего ОЗУ, в связи с этим для выборки нужного значения из ОЗУ необходимо выдать серию тактовых управляющих импульсов, что приводит к побайтовому просмотру всего содержимого ОЗУ, находящегося перед необходимым значением. Данный способ реализации пересылки данных между процессором и ОЗУ заметно увеличивал время обработки измерительной информации, которое составляло значение порядка 60 секунд от момента захвата кадров до выдачи результатов измерений, в результате была разработана и реализована новая схема на базе микроконтроллера фирмы ATMEL - АТ89С55. Этот микроконтроллер позволяет адресовать 65536 байт внешней памяти, однако и этого недостаточно для обработки полного кадра изображения, так как изображение занимает в ОЗУ 262144 байта (два полукадра, четный и нечетный, размером 256x512 каждый). В результате схема БПОИИ была пересмотрена, в ее состав был введен новый элемент, выполняющий функции контроллера прямого доступа к памяти (КПДП). Функции КПДП реализованы с помощью микросхемы программируемой логики производства фирмы ALTERA - EPM7128SQC100. Структурная схема БПОИИ с КПДП приведена на рис.4.

КЭ

ФПЗС

ПК

Рис. 4. Схема макета измерительной системы с использованием КПДП

Под управлением синхроимпульсов, поступающих с ФПЗС, сформированные полукадры поступают на вход АЦП. Если запись кадров в ОЗУ разрешена, то к шине данных подключается АЦП - производится запись захваченных полукадров в память сис-

темы, в противном случае ОЗУ доступно для обращения со стороны микроконтроллера. После записи в ОЗУ полукадров АЦП отключается от шины данных и подключается микроконтроллер. Вся область памяти разбита на четыре фрагмента по 65536 байт, каждому из них присвоен персональный номер, реализованный посредством трехбитной шины. В программе, записанной в микроконтроллер, реализована функция обращения к памяти, которая осуществляет программную склейку полукадров и адресацию полученного полного кадра, при этом в памяти полукадры хранятся последовательно, один за другим. Такое развитие схемы позволило сократить время получения результата измерений до 7 секунд, т.е. примерно в 8.5 раз.

Таким образом, использование КПДП в схеме измерительного канала оптико-электронной системы контроля геометрических параметров крупногабаритных объектов, позволило увеличить быстродействие измерительной системы в 8.5 раз по сравнению с предыдущим образцом без потери точности. Применение широковещательных управляющих команд позволяет существенно увеличить производительность системы в целом, а также существенно сократить объем предаваемых управляющих команд.

Основываясь на изложенном, повышения быстродействия в целом можно достичь путем совершенствования структуры РОЭС, введением широковещательных управляющих команд, а также применением контроллеров прямого доступа в электронной части канала.

Дальнейшие исследования в рамках НТП «Научные исследования высшей школы по приоритетным направлениям науки и техники» по подпрограмме "Новые авиационные, космические и транспортные технологии" (шифр 205 04.01.034) планируется провести в направлении совершенствования алгоритмического обеспечения каналов и программы управления системой.

Литература

1. Казанский Г. Д., Курячий М.И., Пустынский И.Н. Измерительное телевидение: Учеб. пособие для вузов. М.: Высшая школа, 1994.

2. Стэн Шатт. Мир компьютерных сетей: Пер. с английского. К.: BHV, 1996.

3. Коротаев В. В., Краснящих А.В. Исследование макета оптико-электронной системы контроля деформаций крупногабаритных инженерных сооружений. // Сборник трудов пятой международной конференции "Прикладная оптика". 15-17 октября 2002 г. СПб. ГОИ Т.1., с 70.

4. Коротаев В. В., Краснящих А В. Исследование точностных характеристик макета оптико-электронной системы контроля деформаций крупногабаритных инженерных сооружений. // Тезисы докладов конференции «Лазеры для медицины, биологии и экологии». Санкт-Петербург, 27-28 ноября 2002 г. / Под ред. В.Е. Привалова. БГТУ, СПб, 2002.

5. Андреев А.Л., Ярышев С.Н., Стрелков А.Р. Аппаратные и программные средства оптико-электронных приборов с телевизионными датчиками на ФПЗС. Методические указания. СПб.: ИТМО, 1995. 49 с.

6. Грязин Г.Н. Системы прикладного телевидения. СПб.: Политехника, 2000. 277 с.