МНОГОКАНАЛЬНАЯ СИСТЕМА СБОРА И ОБРАБОТКИ СИГНАЛОВ ТРЕВОЖНОЙ ИНФОРМАЦИИ

Полезная модель относится к системам телесигнализации и может быть использована для мониторинга безопасности промышленных объектов.
Известна многоканальная автономная система для анализа и регистрации динамических процессов, содержащая набор датчиков, преобразователей, фильтров и усилителей, аналого-цифровой преобразователь, электронно-вычислительную машину, оперативное запоминающее устройство, таймер, персональный компьютер, принтер, источник питания с преобразователем напряжения, двухкомпонентные датчики ускорения, датчики температуры, приемопередатчик, контроллер, преобразователь напряжения (описание изобретения к патенту РФ №2271031, МПК G05D 19/02, опубликовано 27.02,2006 г., бюл. №6).
Недостатком системы является низкая пропускная способность при обслуживании измерительных каналов.
Наиболее близким по технической сущности к предлагаемой полезной модели является комплекс сбора и анализа телеметрической информации для мониторинга безопасности объектов, описанный в патенте РФ №2337391, МПК G05BD 19/02 (опубликован 21.03.2007, бюл. №30), принятый за прототип. Комплекс сбора и анализа телеметрической информации для мониторинга безопасности объектов содержит набор датчиков, преобразователи, усилители, фильтры, два источника питания, преобразователь источника питания, аналого-цифровой преобразователь (АЦП), блок входных данных, блок управления, ноутбук, таймер, запоминающее устройство, три задатчика уровня, блок анализа информации порогового уровня, три оперативных запоминающих устройство, блок выделения максимальных амплитуд, блок выделения экстремумов, счетчик количества циклов, блок формирования команды предельного уровня, блок выходных данных, регистратор, три передатчика, канал связи, три приемника, контрольную панель сбора данных.
Недостатком данного комплекса является низкая пропускная способность по многоканальной обработке сигналов тревожной информации.
Технический результат - повышение пропускной способности многоканальной системы сбора и обработки сигналов тревожной информации.
Этот результат достигается тем, что в предложенную систему сбора и обработки телеметрической информации для мониторинга безопасности объектов дополнительно к последовательно соединенным датчикам, преобразователям, фильтрам и усилителям (составляющим n наборы измерительных каналов), последовательно соединенным передатчику, каналу связи, приемнику с декодером и контрольной панели сбора данных, последовательно соединенным источнику питания и преобразователю источника питания, задатчику уровня, аналого-цифровому преобразователю и блоку выходных данных согласно полезной модели введены n канальных компараторов уровней - для выделения сигналов тревожной информации, m интеграторов - для хранения информации об уровнях сигналов тревоги, два коммутатора и устройство управления - для обеспечения последовательной обработки и преобразования сигналов тревожной информации.
При этом первые входы n компараторов уровня подключены к выходам соответствующих усилителей, а вторые входы компараторов объединены и подключены к выходу задатчика уровня, вход которого подключен к выходу источника питания, первый коммутатор, информационные входы которого подключены к выходам соответствующих компараторов уровня, m интеграторов, первые входы которых подключены к соответствующим выходам первого коммутатора, второй коммутатор, информационные входы которого подключены к выходам соответствующих интеграторов, вторые входы интеграторов подключены к соответствующим питающим выходам второго коммутатора, питающий вход которого подключен к выходу преобразователя источника питания, устройство управления, первый выход которого подключен к управляющему входу первого коммутатора, второй выход устройства управления подключен к управляющему входу второго коммутатора, информационный выход которого подключен к входу аналого-цифрового преобразователя, информационный выход которого соединен с первым входом блока выходных данных, второй вход которого подключен к третьему выходу устройства управления, вход которого подключен к сигнальному выходу аналого-цифрового преобразователя, выход блока выходных данных соединен с входом передатчика.
На фиг.1 представлена структурная электрическая схема многоканальной системы сбора и обработки сигналов тревожной информации.
1
m
Многоканальная система сбора и обработки сигналов тревожной информации содержит наборы (по числу n измерительных каналов) датчиков 1, преобразователей 2, фильтров 3, усилителей 4, компараторов 5 уровней, задатчик 6 уровня, первый коммутатор 7, устройство 8 управления, m интеграторов 9-9, второй коммутатор 10, аналого-цифровой преобразователь (АЦП) 11, источник 12 питания, преобразователь 13 источника питания, блок 14 выходных данных, передатчик 15, канал 16 связи, приемник 17 с декодером, контрольную панель 18 сбора данных.
На фиг.2 представлена временная диаграмма режимов накопительного конденсатора в составе интегратора 9.
Многоканальная система сбора и обработки сигналов тревожной информации работает следующим образом. Датчики 1 измеряют параметры объектов. Результаты измерения в преобразователях 2 преобразуются в электрические сигналы с уровнями напряжений, пропорциональными значениям измеряемых параметров. Фильтры 3 обеспечивают выделение измерительного сигнала в заданной полосе частот. Сигнал усиливается с помощью усилителя 4, при этом обеспечивается еще и нормирование уровней сигналов относительно установленных пороговых уровней.
П
xi
П
i
xi
П
xi
П
Δi
Выходные сигналы усилителей 4 поступают на первые входы соответствующих компараторов 5 уровней, где сравниваются с напряжением порогового уровня U, подаваемым на вторые входы компараторов 5 с выхода задатчика 6 уровня. В случае превышения напряжением измерительного сигнала U (в i-м измерительном канале) порогового уровня U на выходе i-го компаратора 5 появится сигнал тревожной информации в виде разностного напряжения ΔU=U-U. В противном случае, если U≤U, на выходе компаратора 5 сигнал тревожной информации отсутствует (U=0).
Первый коммутатор 7 по команде с устройства 8 управления осуществляет подключение выхода компаратора 5 с сигналом тревожной информации к входу одного из свободных интеграторов 9. Основу интегратора 9 составляет накопительный конденсатор, который может находиться в одном из трех режимов (см. фиг.2): заряд; хранение информации; разряд.
1
Δi
i
1
Δi
ож
С момента подключения интегратора 9 к выходу компаратора 5 уровня (в составе i-го измерительного канала) в течении фиксированного времени tосуществляется заряд конденсатора данного интегратора 9 до значения U, пропорционального напряжению ΔU, на выходе соответствующего компаратора 5. По окончанию времени t заряда конденсатора с устройства 8 управления подается команда в первый коммутатор 7 на отключение интегратора 9 от выхода компаратора 5 уровня. Конденсатор интегратора 9 переходит в режим хранения информации об уровне U в течении времени ожидания t.
ОП
старт
стоп
Второй коммутатор 10 по команде с устройства 8 управления обеспечивает подключение очередного интегратора 9 к освободившемуся аналого-цифровому преобразователю 11. При этом на второй вход интегратора 9 от источника питания 12 через преобразователь 13 источника питания и второй коммутатор 10 подается опорное напряжение отрицательной полярности - U, обеспечивающее разряд конденсатора в интеграторе 9 с постоянной скоростью. С началом разряда конденсатора интегратора 9 в момент времени t в АЦП 11 начинается формирование и подсчет импульсов с фиксированной частотой следования. По окончанию разряда конденсатора (до нулевого значения напряжения на входе АЦП 11) в момент времени t подсчет импульсов в преобразователе 11 прекращается, об этом с сигнального выхода АЦП 11 на вход устройства 8 управления поступает сообщение.
р
стоп
старт
Δi
Число сформированных в АЦП 11 импульсов пропорционально времени разряда конденсатора t=t-t в опрашиваемом интеграторе 9, а следовательно, значению напряжения U, уровня сигнала тревожной информации на выходе соответствующего измерительного канала. Результаты преобразования сигнала в виде двоичного кода с выхода АЦП 11 подаются на первый вход блока 14 выходных данных.
i
Устройство 8 управления подает команду на управляющий вход первого коммутатора 7 для подключения освободившегося интегратора 9 с разряженным конденсатором к выходу очередного компаратора 5 с уровнем сигнала тревожной информации ΔU>0. Кроме того, устройство 8 управления подает команду на управляющий вход второго коммутатора 10 для подключения освободившегося АЦП 11 к выходу интегратора 9, находящегося в режиме ожидания с заряженным конденсатором.
Блок 14 выходных данных формирует пакеты с информацией о значениях уровней сигналов тревоги в цифровом виде и номерах измерительных каналов, в которых выявлены сигналы тревоги. Информация о номерах измерительных каналов подается с устройства 8 управления на второй вход блока 14 выходных данных. С выхода блока 14 выходных данных сформированные информационные пакеты последовательно поступают на вход передатчика 15 и далее, через канал 16 связи, - на приемник 17 с декодером. С выхода приемника 17 поступившие сообщения подаются на контрольную панель 18 сбора данных, где отображается информация о номерах измерительных каналов с сигналами тревоги с указанием степени превышения контролируемыми параметрами установленных пороговых уровней.
Предложенная схема многоканальной системы сбора и обработки сигналов тревожной информации представляет собой систему массового обслуживания с ограниченной очередью и поэтому для оценки ее эффективности целесообразно воспользоваться моделями теории массового обслуживания.
В качестве показателя пропускной способности системы используем вероятность обслуживания сигналов тревожной информации (при преобразовании в цифровой вид), определяемую выражением [1]:
,
где m - число интеграторов; ρ=λ/µ; λ - интенсивность поступления в систему сигналов тревожной информации;  - усредненная продолжительность преобразования сигналов тревожной информации в АЦП 11 (усредненное время разряда конденсатора в составе интегратора 9).
В таблице 1 представлена зависимость значений Q от числа m интеграторов для частных случаев ρ=0,5 и ρ=0,7.
Таблица 1
ρ
Значения пропускной способности Q
m=1
m=3
m=5
m=7
0,5
0,857
0,968
0,992
0,998
0,7
0,776
0,913
0,962
0,882
Как следует из выражения (1) и таблицы 1, с увеличением числа интеграторов возрастает пропускная способность системы сбора и обработки сигналов тревожной информации. Однако с увеличением числа интеграторов в системе растет среднее время ожидания сигналов Тревожной информации при нахождении в очереди, т.е. увеличивается время нахождения конденсатора интегратора в режиме хранения информации. Но в реальных схемах интеграторов конденсатор не может хранить напряжение на своих обкладках без потерь в течении длительного времени.
ож
Δ
p
Δдоп
ож доп
Как следует из фиг.2, уменьшение напряжения на конденсаторе в течении времени t на величину ΔU приводит к уменьшению времени его штатного разряда (через АЦП) на величину Δt, что, в конечном итоге, приводит к погрешности счета в процессе аналого-цифрового преобразования сигнала. Допускается такое уменьшение напряжения на конденсаторе, при котором ошибка аналого-цифрового преобразователя не превышала бы половины младшего разряда. Зафиксировав допустимый уровень снижения напряжения ΔU на конденсаторе в режиме хранения, легко рассчитать допустимое время ожидания t.
Аналитически усредненное время ожидания заявки (сигнала тревожной информации) в очереди рассчитывается по выражению [1]:
где t - усредненное время разряда конденсатора интегратора в процессе аналого-цифрового преобразования сигнала тревожной информации.
Используя выражение (2) при известных значениях  и ρ легко определить допустимое число интеграторов m, при котором выполняется ограничивающее условие . Так, например, для допустимого времени ожидания  и интенсивности нагрузки АЦП ρ=0,7, число интеграторов m≤6. Пропускная способность такой системы будет равна 0,974, что в 1,65 раз больше по сравнению с прототипом, для которого Q=0,588.
Литература
1. Вероятностные методы в вычислительной технике /Под ред. А.Н.Лебедева и Е.А.Чернявского. - М.: Высш. шк., 1986. - 312 с.