Б. Ф. Курьянов, Д. Л. Тилинин, Л, Л. Утяков
АВТОНОМНЫЙ
ИЗМЕРИТЕЛЬНО-
ВЫЧИСЛИТЕЛЬНЫЙ
КОМПЛЕКС ДЛЯ ИССЛЕДОВАНИЯ
АКУСТИЧЕСКИХ ШУМОВ ОКЕАНА
Современные микропроцессоры позволяют создать
полностью автономные многоканальные системы обра-
ботки информации, способные работать на любой глу-
бине Мирового океана.
Большинство исследований, связанных с
решением проблем изучения и освоения ми-
рового океана, требуют сбора данных с об-
ширных акваторий в течение длительного
промежутка времени, что практически невоз-
можно без широкого использования полно-
стью автоматизированных аппаратурных ком-
плексов. В океанологии уже применяется об-
ширный арсенал разнообразных автономных
систем: буйковые заякоренные станции с
распределенными по глубине измерительно-
регистрирующими устройствами, свободно-
плавающие поверхностные и притопленные
буи, донные станции, буи нейтральной плаву-
чести и т. п. В основном эти средства рассчи-
таны на регистрацию небольших потоков ин-
формации, например, при измерении темпера-
туры, скорости и направления потока, изме-
няющихся во времени сравнительно медлен-
но., Вместе с тем имеются средства, которые
требуют большой скорости обработки инфор-
мации,— дистанционные средства, использу-
ющие акустические методы. Их особое зна-
чение связано с тем, что упругие волны —
звуковые и сейсмические — являются единст-
венным видом волн в морской среде, способ-
ных распространяться без заметного затуха-
ния на сотни, а иногда и тысячи километров.
Для проведения измерений этими методами
необходимо большое число датчиков. Так,
для реализации одного из наиболее фантас-
тических проектов современной фундамен-
тальной науки — обнаружение частиц сверх-
высоких энергий, мюонов и нейтрино, по воз-
буждаемому ими акустическому полю в океа-
не (так называемый проект «ДЮМАНД»),
необходима совместная автоматическая обра-
ботка данных, поступающих с десятков тысяч
оптических или акустических датчиков, рас-
пределенных в морской толще в объеме куби-
ческих километров.
Постановка и решение таких задач, не-
мыслимые десятилетие назад, реальны в на-
стоящее время в связи с развитием и успеха-
ми полупроводниковой технологии и микро-
электроники.- Внедрение этой техники позво-
ляет удовлетворить высокие требования,
предъявляемые к средствам автоматизации
морских исследований, которые, кстати, не
менее жесткие, чем требования, предъяляе-
мые к космической аппаратуре: малые габа-
риты и веса, низкое энергопотребление, высо-
кая скорость обработки и надежность. Более
того,'океанская аппаратура должна быть рас-
считана на перепад внешних давлений до со-
тен атмосфер, в то время как космическая —
всего лишь на перепад в одну атмосферу.
В данной статье мы не ставили целью
рассмотрение многочисленных аспектов ис-
пользования микроэлектроники в океанологи-
ческом приборостроении, проведение класси-
фикации систем и поиска оптимальных реше-
ний. Здесь будет описано решение конкретной
задачи — построение автономного вычисли-
тельного комплекса, предназначенного для
исследования собственных акустических шу-
мов океана.
Изучение собственных акустических шу-
мов океана является важным средством дис-
танционного определения характеристик оке-
анской среды. На низких частотах шумовое
поле формируется источниками на большой
акватории, и свойства этого поля в закоди-
рованном виде содержат информацию об ок-
ружающей среде: о динамических явлениях в
пограничном слое океан—атмосфера, основ-
ном источнике шумов, о характеристиках
водной среды и ее границ, определяющих ус-
ловия распространения. Конечная цель изуче-
ния шумов — расшифровка сложного спосо-
ба, каким океан кодирует шумовое поле, ре-
шение обратных задач — определение пара-
метров океана по характеристикам шумов и
создание на этой основе методов дистанци-
онной диагностики океана.
Идеальным средством измерения океан-
ских шумов являются автономные донные
станции, которые могут быть поставлены в
любом районе океана и позволяют избавить-
ся от гидродинамических помех, возникающих
при измерениях с дрейфующего судна. Одна-
ко регистрация шумов в течение длительного
времени связана с рядом технических труд-
ностей — необходимостью регистрации сигна-
лов с большим динамическим диапазоном,
отсутствием накопителей с достаточной емко-
стью. Дело облегчается тем, что для решения
задач по акустической диагностике океана до-
статочно не полная регистрация шумов, а
только их некоторых усредненных характери-
стик, которые определяются медленно изме-
няющимися океанскими условиями. Шум оке-
ана может рассматриваться как стационар-
ный случайный процесс, полностью опреде-
ляемый его спектром мощности. Проведение
предварительного спектрального анализа и
усреднения для повышения состоятельности
оценки спектра позволяет во много раз сок-
ратить объем информации, который необходи-
мо записать на регистратор.
Типичный характерный период изменения
усредненных параметров шумов составляет
около 6 ч и определяется в основном измен-
чивостью погоды в акватории; поэтому авто-
номная система обработки может действовать
не непрерывно, а сеансами через несколько
часов.
К сожалению, имеются дополнительные
проблемы, автоматизированное решение ко-
торых не так просто. Дело в том, что кроме
шумов, вызванных динамическими процесса-
ми в океане, возникают шумы, связанные с
деятельностью человека, приводящие к «аку-
стическому загрязнению» океанской среды.
Многочисленные корабли, бороздящие океан,
создают специфические шумы, в особенности
на низких частотах. При прохождении судна
вблизи от станции общий уровень шума мо-
жет значительно повыситься; кроме сплош-
ного спектра, наблюдаются также дискретные
линии, связанные со звуками вращения вин-
та и вибрации корпуса судна, превышающие
уровень сплошного шума на десятки децибел.
Обычно при анализе записей шумов океана
участки с явными особенностями исключают-
ся; эту операцию проводит опытный акустик.
Существуют #и другие причины нарушения
стационарности шума. Так, в некоторых рай-
онах океана наблюдаются импульсные звуки
на низких частотах, создаваемые китами (так
называемые 20-герцные сигналы), мощные
сигналы землетрясений и искусственных ис-
точников звука при проведении сейсмических
исследований. Предварительный анализ шума
должен выявлять эти шумы и отделять их от
естественных, связанных с динамикой океана.
Для автоматического проведения операций
система обработки должна быть достаточно
интеллектуальной. Использование же спект-
роанализатора, аналогового или цифрового,
или жестко запрограммированной микропро-
J»<
цессорной системы при этом не годится из-за
ограничений на вес, габариты и энергопотреб-
ление. Таким образом, возникла необходи-
мость создания вычислительного комплекса
универсального типа.
Для решения рассмотренных выше проб-
лем в Институте океанологии им. П. П. Шир-
шова АН СССР разработан автоном-
ный измерительно-вычислительный комплекс
(АИВК), предназначенный для работы в со-
ставе донных станций. При испытаниях
АИВК использовались различные конструк-
ции автономных донных станций (АДС), раз-
работанных в ОКБ океанологической техники
ИОАН и в СКБ САМИ АН СССР. На разво- -
роте цветной вкладки журнала показана АДС
конструкции ИОАН на борту научно-исследо-
вательского судна «Академик Мстислав Кел-
дыш» и в момент опускания станции за борт.
Эта станция состоит из трех сферических
прочных контейнеров с электронной аппарату-
рой и блока плавучести из синтактика и
предназначена для работы на глубинах до
6 км. Рядом показана однокорпусная стан-
ция С1Б САМИ в момент опускания ее за
борт и в открытом виде.
АИВК был разработан в двух вариан-
тах — сначала на базе серийной микроЭВМ
«Электроника-60», а затем на базе одноплат- f
ной микроЭВМ «Электроника НЦ-80/01Д»,
что позволило втрое уменьшить энергопотреб-
ление.
На рис. 1 приведена структурная схема
АИВК. МикроЭВМ «Электроника НЦ-80/01Д»
содержит 16-разрядный процессор, ОЗУ ем-
костью 64 Кбайт, устройства параллельного
и последовательного обмена, а также РеПЗУ
с ультрафиолетовым стиранием информации,
на котором записываются все программы об-
работки. Остальные узлы АИВК разработа-
ны в Институте океанологии. Комплекс полу-
чает питание от блока аккумуляторов и клю-
чевого стабилизатора-преобразователя с вы-
соким КПД. Включается и выключается
АИВК е помощью программно-временного
устройства (ПВУ), управляющего работой
всей аппаратуры станции по заранее выбран-
но программе. Электрические сигналы от гид-
рофонов после аналоговых усилителей посту-
пают на четырехканальный аналого-цифровой
преобразователь (АЦП), преобразующий сиг-
налы в цифровую форму с частотой дискре-
тизации, определяемой блоком управления и
синхронизации. В проводимых экспериментах
полоса сигналов составила 250 Гц, а частота
выборки — 1 кГц. Блок управления и синхро-
низации формирует также сигналы прерыва-
ний для ввода-вывода и управляет цифровым
накопителем на магнитной кассете, на кото-
рый поступает информация от процессора по-
сле окончания серии усреднения.
Программа обработки шумов включает
ввод сигналов с выхода АЦП в ОЗУ масси-
вами по 1024 отсчета, вычисление периодо-
грамм с помощью алгоритма быстрого преоб-
разования Фурье (БПФ), усреднение по нуж-
ному числу реализаций для получения стати-
стически устойчивого спектра, логарифмиро-
вание усредненных спектров мощности для
компактного представления информации, и
вывод по прерыванию на кассетный накопи-
тель. Для ускорения обработки данных вы-
числения производятся в формате 16-разряд-
ных чисел с общим порядком в массиве (фор-
мат с «блочно-плавающей запятой»). С целью
повышения быстродействия комплекса раз-
работана плата умножителя 12-разрядных чи-
сел на основе БИС серии К1802 (время ум-
ножения около 0,1 мкс); кратковременное
импульсное питание умножителя способство-
вало понижению энергопотребления.
Для ввода данных от АЦП и вывода ре-
зультатов обработки использовались аппарат-
ные средства прерывания программы, что зна-
чительно сократило затраты времени на ввод-
вывод. Быстродействие комплекса позволяет
обрабатывать шумы в реальном масштабе
времени при полосе до 150 Гц. Общее энер-
гопотребление комплекса составляет около
25 Вт, причем основная мощность приходится
на процессор. Положительная плавучесть
донных станций дает возможность разместить
аккумуляторы, обеспечивающие непрерывную
работу АИВК в течение суток; в режиме пе-
риодического программного включения вре-
мя общей работы АИВК зависит от скваж-
ности и может составлять многие сутки.
На развороте цветной вкладки журнала
также показаны отдельные узлы вычислитель-
ного комплекса, позволяющие представить его
общие габариты. На снимке видны: блок ак-
кумуляторов, кассетный цифровой регистра-
тор, плата быстродействующего умножителя,
платы РПЗУ и процессора. Все платы (вклю-
чая АЦП) размещены в стандартном каркасе
4-платной микроЭВМ «Электроника-60».
Пробные испытания АИВК в составе раз-
личных донных станций подтвердили эффек-
тивность и надежность разработанного комп-
лекса. АИВК работал без сбоев в течение
времени, определяемого запасами энергии
аккумуляторов; производилось программное
включение и выключение комплекса, вычис-
ление спектра шумов и регистрация результа-
тов. В качестве иллюстрации на рис. 2 при-
веден график усредненного спектра шумов,
принятых гидрофоном станции, находившейся
сравнительно недалеко от исследовательского
судна; разрешение по частоте здесь составля-
ло 0,5 Гц. Наряду со сплошным спектром хо-
рошо видны дискретные линии 7,5 и 9,5 Гц и
их гармоники, вызванные шумом механизмов
исследовательского судна. В этом опыте ис-
пользовалась простейшая программа обра-
ботки, которая не предусматривала исключе-
ние участка шумов за счет близких судов.
Однако ясно, что универсальность структуры
комплекса позволяет это сделать при соот-
ветствующем программировании.
В настоящее время главные усилия разра-
ботчиков направлены на дальнейшее повыше-
ние быстродействия комплекса и уменьшение
его энергопотребления. Если учесть необхо-
димость расширения полосы частот и увели-
чения числа приемных каналов, то быстро-
действие комплекса оказывается недостаточ-
ным. Поле океанских шумов характеризуется
не только частотным, но и пространственным
спектром, т. е. анизотропией, которая наибо-
лее полно определяет свойства шумов и не-
посредственно связана с условиями генерации
и распространения в океанской среде. Для
получения направленности необходим прием
шума с множества распределенных датчиков
(акустическая антенна). Проведение много-
кратной обработки данных потребует повы-
шения быстродействия комплекса по крайней
мере на один-два порядка.
Отечественная промышленность выпускает
спецпроцессоры, например, «Электрони-
ка-МТ—70», которые пригодны для лабора-
торных систем обработки, но имеют недопус-
тимо высокое для автономных систем энерго-
потребление.
Как показал наш опыт, в рамках структу-
ры микроЭВМ «Электроника-60» даже ис-
пользование сверхбыстродействующего умно-
жителя не позволяет резко ускорить обработ-
ку. В определенной мере это связано с асин-
хронной структурой обмена по общей шине.
Следующий вариант АИВК предполагает-
ся выполнить на базе микропроцессора типа
КР1810ВР86 с развитой системой команд, вы-
соким быстродействием, прямой адресацией
памяти большой емкости и синхронной внеш-
ней шииой. Использование динамической па-
мяти типа К565РУ5А и арифметического уст-
ройства на быстродействующих БИС серии
КМ1802 с импульсным питанием дает воз-
можность значительно увеличить быстродей-
ствие и уменьшить энергопотребление АИВК.
В качестве первого шага по выполнению
этой программы была разработана микроЭВМ
на базе микропроцессора той же серии
КР580ИК80А. Она включает телевизионный
монитор, кассетный магнитный накопитель,
модуль ЦАП для сопряжения с графопострои-
телем, и предназначена для представления
оператору и вывода результатов, полученных
на АИВК донной станции.
Структурная схема микроЭВМ приведена
на рис. 3; в ее состав входят: ОЗУ емкостью
32 Кбайт, РИЗУ с ультрафиолетовым стира-
нием емкостью 4 Кбайт, блок сопряжения с
кассетным накопителем, блоки параллельных
интерфейсов и графического вывода на эк-
кран ТВ-монитора, алфавитно-цифровая кла-
виатура. Общая мощность комплекса не пре-
вышает 5 Вт.
Внешний вид комплекса представлен так-
же на развороте цветной вкладки журнала.
Опыт, полученный при разработке такой мик-
роЭВМ, показывает перспективность примене-
ния микропроцессоров с синхронной внешней
шиной, построения структуры программируе-
мого временного устройства, дающей значи-
тельное сокращение энергопотребления, раз-
работки цифровых систем, не требующих
прочных контейнеров для защиты от высо-
ких давлений в океанских глубинах.
Статья поступила 30 января 1984 г.
А. Ф. Барышез
ГОТОВИТСЯ К ВЫПУСКУ
ОЧЕРЕДНОЙ СБОРНИК
Международный научно-исследовательский институт
проблем управления (А1НИИПУ) и Международный
центр научно-технической информации (МЦНТИ) орга-
низовали выпуск публикаций по актуальным проблемам
развития и использования микропроцессорной техники.
Среди этих публикаций важное место отводится се-
рии «Информационное обеспечение Программы СЭВ
по микропроцессорной технике». Публикуемые в этой
серии материалы будут знакомить специалистов с до-
стижениями в области программных и технических
средств, новыми технологиями проектирования микро-
процессорных систем, а также областями применения
средств этой техники.
На 1984 г. намечено издание восьми работ серии.
Это сборник «Операционные системы реального време-
ни для микроЭВМ» под редакцией И. Р. Крамфуса, по-
священный развитию и применению операционных сис-
тем реального времени, широко используемых в при-
кладных микропроцессорных системах; описана опера-
ционная система МХ/80 и совместные с ней разработки.
Эта система в настоящее время является промышлен-
ным стандартом и широко применяется в микроЭВМ,
выпускаемых в СССР на базе микропроцессорного на-
бора КР580.
В работе венгерских специалистов Г. Раца, Г. Хрот-
ко и Я. Шарбо «Технология разработки программ для
микропроцессорных систем на базе языка СДЛ» при-
водятся основные требования, предъявляемые к техно-
логии программирования микропроцессорных систем.
,В приложении даны краткое описание языка
СДЛ-2 и пример разработки программы управления
пассажирским лифтом.
В работе Ф. В. Широкова «Актуальные вопросы
развития вычислительной техники (компьютеры 5-го
поколения)» основное внимание уделяется японскому
проекту компьютеров пятого поколения и его связи с
исследованиями, проводимыми в США в данной обла-
сти.
Венгерским специалистом Г. Хротко подготовлена
работа «Языки программирования высокого уровня для
микроЭВМ». В ней дается обзор языков Паскаль, Мо-
дула-2, АДА, СИ, ФОРТ и СДЛ-2, а также рассматри-
ваются структурное программирование и верификация.
Помимо указанных работ в ближайшем будущем
предполагается подготовить следующие публикации:
В. Н. Калачева — «Локальные сети микроЭВМ» о
достижениях и перспективах развития этих сетей мик-
роЭВМ;
сборник «Средства проектирования микропроцес-
сорных систем» под редакцией Е. Е. Дудникова, с опи-
санием классификации существующих автоматизирован-
ных средств проектирования микропроцессорных систем,
их характеристик, сфер применения и перспективы раз-
вития;
Е. Е. Дудникова — «Персональные ВМ», в которой
приводится классификация существующих типов персо-
нальных ВМ, даются их характеристики и перспектива
развития этого класса вычислительных устройств.
Намечено опубликовать Краткий терминологический
словарь по микропроцессорной технике. В нем более
2000 терминов на десяти языках ,— английском, болгар-
ском, венгерском, вьетнамском, испанском, немецком,
польском, румынском, русском и чешском. Определения
терминов приводятся на русском языке. Это первое
издание подобного рода по данной проблематике в
странах — членах СЭВ.
Кроме указанной серии публикаций, МНИИПУ и
МЦНТИ периодически выпускают сборник «Применение
микропроцессорной техники». В нем помещаются обзор-
ные материалы по общим вопросам развития микро-
процессорной техники, техническим аспектам внедрения
микропроцессорных систем, опыту применения микро-
процессоров и различных средств микроэлектроники в
отдельных областях народного хозяйства. На страни-
цах сборника обсуждаются также социально-экономиче-
ские проблемы широкого внедрения микропроцессоров и
вопросы подготовки соответствующих специалистов.
Указанные издания позволят расширить пропаган-
ду знаний по современным проблемам развития и ис-
пользования микропроцессорной техники, особенно в
тех областях, которые еще недостаточно освещены в
литературе, доступной широким кругам- пользовате-
лей.
