Булекова Ю.А.,Завадцев Д.А.,Лобачев В.В.,

Попов Ю.А.,Рыжков В. И.

Научный руководитель:

д.т.н., профессор Попов Ю.А., тел. 323 - 9285

 

Московский государственный инженерно-физический институт

(технический университет)

Международный научно-технологический парк

“ ТЕХНОПАРК В МОСКВОРЕЧЬЕ”

Центр студенческих инициатив научная студенческая группа

 “DIAMOND”

 

Проект:

"ПРОГРАММНО-АППАРАТНОЕ И МЕТОДИ­ЧЕСКОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ ППК-5"

 

ВВЕДЕНИЕ

Исследования воздействия сознания человека на физические про­цессы в технике и природе определяют передний край науки 21-го века, в котором человечество, по-видимому, начнет освоение самого эффективного вида энергии - психической энергии.

Изучением явлений, причиной которых является работа сознания человека, в мире занимается более 100 научных организаций и де­сятки университетов.

Для сокращения отставания отечественной науки был разработан и частично реализован проект комплекса ППК - 5, предназначенного для проведения широкого круга экспериментов в сложнейшей об­ласти взаимодействий "человек - машина".

Пятый номер свидетельствует, что при создании этого комплекса коллектив авторов группы Diamond использовал опыт разработки и испытаний четырех предшествующих комплексов.

ОПИСАНИЕ ПРОЕКТА

ППК-5 состоит из следующих блоков: компьютера типа IBM, программного обеспечения блока приема и накопления информации (БПН), ряда датчиков и сервисных компонентов (рис. 1).

ППК-5 имеет модульную структуру, как аппаратной, так и про­граммной частей. Это дает широкие возможности для расширения комплекса и делает его более универсальным. Цифровая часть ком­плекса рассчитана на максимальный поток информации, который способен дать современные АЦП.

III1К-5 предполагается эксплуатировать в двух режимах:

·         Накопление информации в процессе эксперимента с датчиков на винчестеры БПН в течении 10-30 мин.Обработка накопленных данных на компьютере Alpha Curdle, или с CPU Pentium 11-226.

·         Обработка данных в режиме реального времени при помощи цифровых процессоров. Длительность  эксперимента практически  не  ограничена  и  может  составлять  1-2 месяца.

Первый этап исследований предполагает надежное определение воздействия человека на генераторы шума и подбор наилучшего метода обработки данных.

Во время второго этапа создается плата цифровой обработки данных в режиме реального времени и проводятся длительные эксперименты по детальному исследованию эффекта бесконтактного воздействия.

1. ПРОГРАММНОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ ППК-5

1.1  Возможности ПО ППК-5

Программное  обеспечение  ППК-5   представляет  собой   целый комплекс программ, работающих под управлением ОС Windows'95 или Windows NT на платформах Intel x86, DEC Alpha, PowerPC. Весь комплекс программ интегрируется в единую оболочку с уни­фицированным качественно новым интерфейсом. Рабочее название

ПО ППК-5 - "Experiment: Golden Way" (EGW).

EGW позволяет не выходя из оболочки проводить эксперименты, обрабатывать экспериментальные данные и просматривать результаты. EGW полно­стью использует ресурсы компьютера, что позволяет увеличивать вычислительную мощь комплекса простым наращиванием количества процессоров в системе. При этом вся обработка данных проводится в фоновом режиме, который позволяет работать с компьютером в процессе обработки экспериментальных данных (например, рассматривать и анализировать результаты других экспериментов). Архитектура EGW построена таким образом, чтобы при необходи­мости обеспечить сетевую обработку больших массивов данных несколькими компьютерами, тем самым, увеличивая вычислительную мощь ППК-5. В ППК-5 объединены все типы ранее разработанных датчиков (включая новые высокочастотные датчики) и алгоритмов обработки экспериментальных данных. Эта унификация позволяет получить временной ряд с любого датчика и обработать его с помо­щью любого доступного алгоритма.

1.2. Оболочка и база данных EGW.

Основным интерфейсным элементом EGW является оболочка. Она обеспечивает управление всем комплексом и доступ к базе дан­ных экспериментов. База данных экспериментов позволяет система­тизировать эксперименты для более удобного просмотра и анализа результатов. Такая систематизация позволяет эффективно организо­вать методику проведения экспериментов. База данных эксперимен­тов разбита на две взаимосвязанные таблицы - таблицу эксперимен­тов и таблицу сеансов

Таблица экспериментов состоит из последовательных записей. Каждая такая запись определяет один эксперимент. Каждый экспе­римент, попадая в базу данных, имеет уникальный номер называе­мый идентификатором эксперимента. Для удобства каждая запись об эксперименте снабжена именем, кратко описывающим данный эксперимент, которое может быть неуникальным в пределах базы данных (однако использование повторяющихся имен экспериментов не рекомендуется во избежание путаницы). Максимальная длина имени эксперимента - 64 символа и оно не может быть пустым За­пись эксперимента содержит поле MEMO, позволяющее вводить в текстовом виде детальное описание условий эксперимента, а также сопутствующую   эксперименту   информацию.   Длина  этого   поля практически неограниченна и оно может быть пустым.

Дня удобства классификации экспериментов запись эксперимен­та содержит поле CLASS - определяющее класс эксперимента. Поле CLASS - текстовое длиной до 16 символов и может быть пустым. Оно может использоваться по усмотрению оператора. Например, оно может содержать строку "ЗВУК" для экспериментов с микрофо­ном или "МОНИТОРИНГ" для экспериментов по мониторингу фо­на. Тогда при анализе данных наложив фильтр на поле CLASS, обо­лочка покажет только те эксперименты, которые удовлетворяют данному фильтру.

При создании эксперимента оболочка автоматически фиксирует время и дату эксперимента, которые заносятся в поля TIME и DATE, соответственно, что также облегчает систематизацию эксперимен­тов. В оболочке на каждое из перечисленных полей можно наложить фильтр, включающий или исключающий записи с определенными значениями полей. Каждой записи из таблицы экспериментов соот­ветствует одна или несколько записей из таблицы сеансов. Запись таблицы сеансов определяет конкретный сеанс - составную часть эксперимента - содержащий временной ряд, полученный с датчика, или результат его обработки. Каждая запись в таблице сеансов име­ет свой уникальный идентификатор. Также как и в таблице экспе­риментов, запись сеанса имеет поле имени сеанса. Длина поля име­ни - 64 символа, и оно не может быть пустым.

Для подробного описания условий проведения сеанса существует поле MEMO, которое позволяет, также как в таблице экспериментов, вводить текстовое описание условий и необходимую дополнитель­ную информацию практически неограниченной длины. Поле MEMO может быть пустым.

Для классификации сеансов имеется поле CLASS, на которое также можно наложить фильтр. Длина поля CLASS - 16 символов, и оно может быть пустым. Дата и время проведения сеанса автомати­чески заносятся оболочкой в поля DATE и TIME соответственно. Параметры сеанса, такие как частота, размер измерения, кол-во из­мерений автоматически заносятся в поле РАКАМ.

Тип датчика, с которого получены данные сеанса, хранится в по­ле SRCTYPE. Тип датчика - строка длиной 8 символов содержащая, например "ГШС-4" или "ГПсЧ" или другой набор символов опреде­ляющий конкретный датчик. На это поле может быть наложен фильтр, выбирающий только те сеансы, которые содержат данные, полученные с определенного датчика. На каждое из полей записи сеанса может быть наложен фильтр, включающий или исключаю­щий определенные записи таблицы сеансов.

1.3 Алгоритмы обработки (программная часть).

При разработке EGW использовалась объектно-ориентированная технология COM (Component Object Model).

Пакет алгоритмов предназначен для работы в составе комплекса ППК-5 для обработки рядов данных, тестирования генераторов шу­ма и модельных экспериментов. Алгоритмы пакета написаны со­гласно разработанному ранее интерфейсу и могут быть легко под­ключены к любой оболочке.

Обработка данных в системе ППК-5 состоит из трех частей

·         Первичная  обработка в режиме реального времени при помощи сигнальных процессоров

·         Вторичная   обработка про помощи компьютера

·         Распознавание  и классификация с использованием нейронных сетей.

Надежное распознавание сигналов нейронной сетью возможно только при Асиг  > 0.5 Ашум (m > 50%), где Aсиг, Ашум амплитуды сигна­ла и шумового фона соответственно. Но амплитуда входного сигна­ла по предположению равна Асиг > Ашум (m > 0.1%). Поэтому не­обходима предварительная (первичная и вторичная) обработка дан­ных. Алгоритмы первичной обработки сжимают исходные данные примерно в 103-106 раз. Вторичная обработка производит сжатие данных до 102-104 байт.

Состав пакета алгоритмов для первичной и вторичной обра­ботки

а. Алгоритм первичной обработки данных (ЛАВР).

а.1. Методика вторичной обработки (после алгоритма ЛАВР) позволяет построить графики для визуального анализа. К ним относятся:

·         ОСП-2 - сравнение  двух  измерений;

·         Определения  процента неслучайных составляющих в сиг­нале датчика.

а.2. Определение корреляции спектров рассчитанных мето-до-ЛАВР. Применяется для многоканальных экспериментов.

б. Расчет распределения последовательностей.

в. Библиотеки математических функций

в.1. Интеграл от Xi2

в.2. Интеграл от нормального распределения

в.З. Расчет суммы для биномиального распределения

в.4. Функции, описывающие свойства алгоритма ЛАВР.

г. Стандартные методы.

г.1. Преобразование Фурье

г. 2. Корреляционная функция для двух каналов

г.З. Взаимный спектр для двух каналов

д. Алгоритмы фрактальной обработки данных

е.  Статистическое моделирование воздействия оператора на датчи­ки

ж.  Расчет доверительных интервалов для всех алгоритмов пакета.

2. АППАРАТНОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ ППК-5

2.1. Оценка необходимых параметров.

Эксперименты, проведенные на датчиках ГШИР и ГШС-5, пока­зали необходимость увеличения точности измерительной аппарату­ры.Реальное время одного сеанса работы оператора составляет 5-10 минут, а частота датчиков 0.5-20 кГц. Таким образом, длины выбор­ки равны 106-107 отсчетов, что позволяет заметить сигнал с ампли­тудой Асиг  = 0.5 Ашум (m = 5%),  на фоне от амплитуды шумового сиг­нала. При такой чувствительности трудно получить надежное определение факта воздействия оператора и организовать распознавания видов деятельность или команд оператора.

По   данным   американского    исследователя    Роберта    Джана  Асиг  < 0.001 Ашум (0.1%),

Для надежного определения влияния оператора на параметры шумового сигнала требуется система, включающая высококачест­венный генератор шума, сигнал с которого через блок приема и на­копления информации обрабатывается компьютером. Эта система должна иметь возможность накапливать не менее 20-40 Мбайт от­счетов в секунду, и как следствие большого потока информации -иметь аппаратную обработку данных. Также необходима тщатель­ная защита датчиков от различных внешних полей (как раз эта про­блема сильно усложняла последние исследования).

Поэтому начато построение комплекса ППК-5 на резисторных генераторах шума со скоростью накопления информации 15 Мбайт/сек на канал. ППК-5 позволяет определять наличие периоди­ческих составляющих в шуме при отношении сигнал/шум (m = 0.5%-0.1%) по амплитуде на октаву. Это соответствует длине ряда данных 109 - 1010 отсчетов или от 20 минут до 3-х часов измерений соответственно.

Точность (m = 0,1%) является предельной для выбранного типа генератора шума и определяется типом шумящего элемента и усили­тельным трактом. Для достижения (m £ 0.1%) требуется качествен­ное изменение конструкции генератора шума, что сильно увеличива­ет его стоимость и сложность разработки. Поэтому вариант с (m £ 0.1%) оставлен как запасной.

2.2. Структура

ППК-5 состоит из следующих компонентов (Рис. 1.):

·         Программное обеспечение.

·          Компьютер  для  создания  программного  обеспечения.

·         Датчики    на    основе    генераторов    шума    ГШР-1, (резисторные), ГШВД-1, ГШВД-2 ( на  вакуумном  диоде).

·         Блок приема и накопления информации   (БПН) позволяет при­нимать, хранить и обрабатывать большие потоки информации в режиме  реального  времени.

·         Компьютер для управления всеми системами ППК-5 и о бработки  данных Alpha Curdle.

·         Датчики       контроля       параметров       эксперимента       ДЭП-1 (регистрирует   электромагнитные   поля),   МД-1    (регистрирует звук), ДТ-1 (регистрирует температуру), ДНСП-1 (регистрирует уровень напряжения в сети питания) и  ДП-1 (регистрирует  рас­положение людей в помещении).

·         Сервисные компоненты: источник бесперебойного питания маг­нитооптический дисковод, элементы сети, модем, сканер, принтер и т.д.

 

 

Рис.1

Блок приема и накопления информации (БПН) позволяет прини­мать и хранить большие потоки информации. БПН имеет модульную структуру, что позволяет подключать дополнительные каналы, сигнальные процессоры для обработки потоков информации в ре­жиме реального времени, другие типы датчиков и контрольную ап­паратуру

Часть модулей БПН можно подобрать в каталоге "INSTRUMENTATION Reference and Catalogue" или отечественной фирме АО "Инструментальные Системы".

Для быстрой обработки данных и эффективного управления ра­ботой датчиков и БПН необходим компьютер

 Alpha Curdle со следующей конфигурацией

·         процессор  -                          Alpha 500MHz . 21164 . 1 MB Cache

·         оперативная память  -                      64MB

·         контроллер  -                         NCR Fast SCSI-2 PCI

·         жесткий диск  -                              1 GB SCSI

·         сетевая  карта  -                      100 Mbs Digital DE500. 44

·         Специальная  плата расширения для управления БПН и ввода информации с контрольных датчиков - ADS 18x48 (цена 950 усл. ед.)

·         Сигнальный процессор для обработки данных в режиме реально­го времени   -        DSP40Q, dsp40V.

Основные характеристики БПН:

·         Поток данных на  канал 40 Мбайт/сек ( Возможно  расширение  до 30  Мбайт/сек)

·         Объем  жестких дисков  для  накопления  данных  8   Гбайт  (Возможно расширение до 18 Гбайт на канал)

·         Время  непрерывного накопления данных при максимальном по­токе информации 10 мин. ( возможно увеличение  до  30  мин.)

·         Число  жестких  дисков  на  канал  2  шт. ( Расширение  до  4 шт. )

·         Возможность  установки процессора обработки данных в режиме реального времени (алгоритм выбирается по результатам предва­рительных экспериментов).

·         Управление  работой БПН производится компьютером через спе­циальную плату расширения Плата вставляется в слот РС1 ком­пьютера.

·         Обмен  данными между компьютером и БПН организуется через стандартную плату расширения 2940UW KIT (PCI).

·         На  данном этапе разработано подробное техническое задание на БПН.

Датчики ППК-5 можно разделить на два класса. Высокочастот­ные генераторы шума и низкочастотные датчики контроля внешних параметров (температура. Электромагнитные помехи, звук и т.д.).

2.2.1. Блок накопления и обработки (БПН)

Блок приема и накопления информации (БПН) должен позволять принимать и хранить большие потоки информации. Также предпо­лагается организовать возможность обработки потоков информации в режиме реального времени.

На данном этапе разработано подробное техническое задание на БПН.

Основные характеристики БПН:

2.2.2. Сборка винчестеров (4 шт. по 4.0 Гб) FujitsuM2954QAU

Поток данных 15 Мбайт/с (Возможно расширение до ЗОМбайт/с).

·         Суммарный    объем   жестких   дисков   для   накопления   данных ХГбайт (Возможно расширение до 36 Гбайт).

·         Время  непрерывного накопления данных при максимальном по­токе информации 10 мин. (возможно увеличение до 30 мин.).

·         Число  жестких дисков в БПН 4 шт. (Расширение до 8 шт.)

3.2.3. SCSI адаптер (4 шт.)

Обмен данными между компьютером и БПН организуется через тандартные платы расширения 2940UW KIT (PCI).

2.2.4 Печатные платы, микросхемы, блок питания и пр.

Управление работой БПН производится компьютером через специальную плату расширения. Плата вставляется в слот PCI компьютера . БПН предполагается выполнить в виде стойки, куда могут встав­ляться различные платы и накопители информации. 2.2.5. Платы цифровой обработки (2 шт.)

Возможность установки процессоров обработки данных в режиме "сального времени (алгоритм выбирается по результатам предварительных экспериментов). Число процессоров на канал определяется Ложностью алгоритма.

2.2.6. Плата приема низкочастотных сигналов

Плата для приема информации с датчиков контроля эксперимента, Число каналов - 10 (возможно расширение). Суммарный поток информации до 2 Мбайт/с.

2.3. Датчики.

Датчики ППК-5 делятся на три класса :

·         высокочастотные генераторы шума с АЦП на выходе;

·         высокочастотные генераторы шума с бинарным выходом ;

·         датчики контроля параметров эксперимента.

 Преимущество между генераторами шума с АЦП на выходе и ге­нераторами шума с бинарным выходом определяется характером воздействия оператора. А это может быть уточнено только в процессе исследований.

 Наиболее важной характеристикой генератора шума является доля периодических составляющих в сигнале. Чем меньше доля перио­дических составляющих тем большей чувствительностью обладает датчик.

Датчики контроля параметров эксперимента регистрируют элек­тромагнитные поля, звук, температуру, уровень напряжения в сети питания и расположение людей в помещении.

2.3.1. На основе шума резистора ГШР-1 с АЦП выходом (2 шт.)

 Датчик на основе резистора наилучшим образом может быть защи­щен от различных помех (артефактов). С другой стороны доля пе­риодических составляющих в его сигнале ограничена снизу теорети­чески и не может быть меньше ~ 0.2% от амплитуды сигнала. Боль­шую часть стоимости датчика составляет микросхема АЦП.  Ее стоимость колеблется от $200 до $2000 в зависимости от качества. Поэтому точная стоимость датчика будет определена в процессе раз­работки. На данном этапе разработано подробное техническое задание на ГШР-1 с АЦП выходом.

2.3.2.  На основе шума резистора ГШР-1   с  бинарным выходом (2 шт.)

Датчики на основе шума резистора П11Р-2 имеет бинарный выход, и не требуют АЦП. Необходимый поток информации достигается од­новременной работой 8-16 бинарных каналов.

 2.3.3. На основе дробового шума вакуумного диода ГШВД-1 с АЦП выходом (2 шт.)

Датчики на основе дробового шума вакуумного диода ГШВД-1 с АЦП выходом. Применение вакуумного диода в качестве источника шума позволяют снизить долю периодических составляющих в вы­ходном сигнале датчика до 0.01% от амплитуды сигнала. С другой стороны вакуумный диод труднее защитить от внешних помех, и он не имеет столь стабильных характеристик как резистор. В этом дат­чике также необходимо применение высококачественных АЦП.

2.3.4. На основе дробового шума вакуумного диода ГШВД-1 с би­нарным выходом (2 шт.)

Датчики на основе дробового шума вакуумного диода ГШВД-2 с бинарным выходом. Этот тип датчиков как и ПНР-2 не имеют АЦП Необходимый поток информации достигается одновременной работой 8-16 бинарных каналов.

2.3.5. Микрофонный датчик МД-1 (4 шт.)

Микрофонный датчик МД-1 состоит из широкополосного микрофо­на, платы АЦП для оцифровки сигнала и интерфейса для подключе­ния к БПН Датчик позволяет исследовать зависимость между речью человека и бесконтактным воздействием на генераторы шума, а так­же помогает исключать различные артефакты.

2.3.6. Датчики электромагнитного поля ДЭП-1 (4 шт.)

Датчики  ДЭП-1   предназначены  для  регистрации  интенсивности электромагнитного поля в помещении в широком частотном диапа­зоне. Датчик состоит из нескольких частотных каналов и позволяет исключать артефакты, связанные с электромагнитными наводками (техногенные источники, магнитные бури и т.д.)

 2.3. 7. Датчики положения человека ДП-1 (1 шт.)

 Датчик положения человека ДП-1 предназначен для исследования зависимости характера воздействия оператора на генератор шума от расстояния между генератором и оператором.

2.3.8. Датчики температуры ДТ-1 (4 шт.)

Датчики температуры ДТ-1 позволяют регистрировать температуру и различных точках комнаты. Все генераторы шума чувствительны изменению температуры. Поэтому при длительных экспериментах для исключения артефактов требуется временные зависимости тем­пературы в помещении.

2.3 9. Датчик уровня напряжения в сети (2 шт.)

Датчик уровня напряжения в сети ДНСП-1 позволяет регистриро­вать параметры напряжения в сети питания аппаратуры. Скачки напряжения или изменение уровня напряжения питания аппаратуры могут влиять на показания датчиков. Таким образом, ДНСП-1 по-зволяет отсечь артефакты, связанные с изменением напряжения в сети питания.

3. ВЫВОД

Комплекс ППК-5 полностью включает в себя возможности ППК-3 и ППК-4. Цифровая и программная часть комплекса превос­ходят по своим параметрам доступные АЦП и генераторы шума. Это позволит в дальнейшем увеличить качество аналоговой части

(повысить частоту и число разрядов АЦП).

 ППК-5 позволяет:

·         проводить   эксперименты   с  многоканальными  (2   канала  или больше)  высокочастотными датчиками на основе генераторов шума.

·         Накапливать  на жесткие диски до 18 Гбайт данных на канал для детального исследования.

·         Обрабатывать  данные в реальном режиме времени.

·         работать  с базой данных экспериментов в специально созданной оболочке.

·         Контролировать  параметры окружающей среды и состояния опе­ратора для исключения артефактов.

Таким образом, ППК-5 дает возможность решить следующие задачи:

·         детальное  исследование параметров и условий бесконтактного воздействия операторов на генераторы шума;

·         массовая  работа с операторами; обработка данных и распознава­ние виды воздействия в режиме реального времени;

·         длительное  исследование фона; сбор данных за период в несколь­ко месяцев.

В соответствии с техническим заданием выполнено проектирование аппаратной части ППК-5 (95 % работ) и частично создано про­граммное обеспечение ППК-5 (30% работ). Написано подробное техническое задание на БПН, резисторные генератора шума и про­граммное обеспечение.

 

Литература

 

1.        Рыжков В.И. Алгоритм сжатия информации в числовых после­довательностях для применения в микропроцессорных устрой­ствах ограниченной мощности II В сб. научных трудов под ред. д.т.н. проф. Ю.А. Попова "Проектирование и применение систем на микропроцессорах и микроЭВМ ". М.: МИФИ, 1990.

2.        Р Г Джан, Б. Дж. Данн. Границы реальности. (R.G. Jahn, B.J. Dunne Margin of Realty. HBJ Book. San Diego, New York. London. 1988) .