Введение
Глава 1. Современные вычислительные средства в технических системах контроля и диагностики 26
1.1. Программно-аппаратные решения высокопроизводительной обработки сигналов 27
1.2. Вычислительные устройства в системах технического контроля и диагностики 30
1.2.1. Принципы реализации систем технического контроля 30
1.2.2. Простые устройства мониторинга и средства диагностики 32
1.3. Архитектурные особенности современных параллельных компьютеров 35
1.3.1. Классификация параллельных компьютеров 36
1.3.2. Однокристальные мультипроцессоры общего назначения 39
1.3.3. Графические процессоры для массивно-параллельных вычислений 41
1.4. Процессоры цифровой обработки сигналов 44
1.4.1. Процессоры с фиксированной точкой 45
1.4.2. Высокопроизводительные процессоры с фиксированной точкой 49
1.4.3. Процессоры с плавающей точкой 53
1.4.4. Достоинства и ограничения сигнальных процессоров 57
1.5. Микроконтроллеры на базе ARM Cortex 59
1.5.1. Стандартизированная архитектура ARM Cortex 60
1.5.2. Высокопроизводительные решения на ARM Cortex 63
1.5.3. Решения на ARM Cortex для встраиваемых систем 68
1.6. Выводы по главе 71
Глава 2. Алгоритмическое обеспечение частотно временного корреляционного анализа 74
2.1. Задача оценки времени запаздывания 74
2.2. Корреляционный прием сигналов с неизвестными частотой и запаздыванием 77
2.3. Частотно-временная взаимно-корреляционная функция 81
2.3.1. Алгоритм получения частотно-временной взаимной корреляционной функции 81
2.3.2. Усреднение частотно-временной взаимной корреляционной функции во временной области 83
2.4. Приложения частотно-временных взаимных корреляционных функций 84
2.4.1. Корреляция сигналов на разных частотных диапазонах 87
2.4.2. Метод определения частотных границ полезного сигнала 89
2.4.3. Информативность частотно-временной взаимной корреляционной функции 90
2.4.4. Влияние ширины частотного окна на вид частотно-временных корреляционных функций 96
2.5. Частотно-временные автокорреляционные функции 100
2.5.1. Алгоритм получения частотно-временных автокорреляционных функций 100
2.5.2. Метод определения гармонического состава сигнала 102
2.5.3. Метод определения частоты следования периодических импульсов 107
2.6. Выводы по главе 111
Глава 3. Методические основы обеспечения эффективности вычислений частотно-временной корреляционной функции 114
3.1. Многопоточный алгоритм вычисления частотно-временных корреляционных функций 115
3.2. Алгоритмические приёмы повышения эффективности реализации 117
3.2.1. Алгоритм Кули и Тьюки 117
3.2.2. Эффективная реализация операции «бабочка» 121
3.2.3. Алгоритм умножения комплексных чисел 122
3.2.4. Быстрое преобразование Фурье действительных последовательностей 123
3.2.5. Быстрое преобразование Фурье двух действительных последовательностей 125
3.2.6. Обратное быстрое преобразование Фурье 125
3.3. Архитектурно-ориентированные подходы 126
3.3.1. Векторизация вычислительных операций 127
3.3.2. Использование кеш-памяти процессора 128
3.3.3. Эффективность предсказания переходов 128
3.3.4. Возможности оптимизации в современных компиляторах 129
3.4. Оценка эффективности реализации преобразования Фурье 130
3.4.1. Инструменты оценки времени выполнения 130
3.4.2. Однопоточная реализация преобразования Фурье 132
3.4.3. Многопоточная реализация преобразования Фурье 133
3.4.4. Многопоточная реализация преобразования Фурье с адаптивным расчётом степени детализации 136
3.4.5. Оценка программных реализаций 138
3.4.6. Многопоточная реализация преобразования Фурье с обходом рекурсии в ширину 146
3.4.7. Оценка многопоточных реализаций с адаптивным расчётом степени детализации и с обходом рекурсии в ширину 147
3.4.8. Оценка издержек на организацию параллельных вычислений многопоточных реализаций 155 3.4.9. Вычислительные схемы для повышения эффективности вычислений 158
3.4.10. Аппаратно ориентированные реализации преобразования Фурье160
3.4.11. Оценка способов реализации обратного преобразования Фурье 161
3.5. Массивно-параллельные вычисления преобразования Фурье на графических процессорах 163
3.5.1. Инструментальные средства оценки времени вычисления 163
3.5.2. Алгоритм массивно-параллельного вычисления преобразования Фурье 163
3.5.3. Оценка времени вычисления частотно-временных корреляционных функций различными аппаратными средствами 165
3.6. Выводы по главе 167
Глава 4. Графический компонент для построения частотно-временной корреляционной функции 170
4.1. Компьютерная визуализация информации 170
4.2. Средства визуализации в среде разработки CodeGear Delphi 174
4.3. Библиотека Direct3D 176
4.4. Спецификация OpenGL 185
4.4.1. Преимущества OpenGL 185
4.4.2. Объекты OpenGL 187
4.4.3. Программные шейдеры 189
4.5. Программные интерфейсы компонента 192
4.5.1. Вызовы подпрограмм OpenGL 192
4.5.2. Вывод с помощью подсистемы GDI 194
4.6. Интерпретация данных 196
4.6.1. Цветовое кодирование элементов 198
4.6.2. Алгоритм обработки графических данных 199
4.7. Программная реализация компонента 201
4.7.1. Алгоритм визуализации 201
4.7.2. Программная структура компонента 203
4.7.3. Объекты визуализации 206
4.8. Визуализация символьных обозначений 214
4.9. Тестирование прототипа компонента 217
4.10. Прототип геоинформационной системы 219
4.11. Выводы по главе 221
Глава 5. Программно-аппаратная реализация устройств систем контроля и диагностики 223
5.1. Системы обнаружения утечек и их применение 223
5.1.1 Принцип действия системы обнаружения утечек 224
5.1.2. Скорость распространения акустических сигналов 226
5.2. Программно-аппаратное устройство с радиоканалом 227
5.2.1. Аппаратная конфигурация устройства 227
5.2.2. Программное обеспечение устройства 230
5.3. Программно-аппаратное устройство с проводным каналом связи 236
5.3.1. Аппаратная конфигурация устройства 236
5.3.2. Программное обеспечение устройства 237
5.4. Программно-аппаратные устройства на микроконтроллерах ARM Cortex 242
5.4.1. Микроконтроллеры с архитектурой ARM Cortex-M3 242
5.4.2. Реализация на ARM Cortex-M3 243
5.4.3. Микроконтроллеры с архитектурой ARM Cortex-M4 248
5.4.4. Реализация на ARM Cortex-M4 248
5.5. Перспективы развития прибора 260
5.6. Выводы по главе 262
Глава 6. Апробация инструментальных вычислительных средств систем технического контроля 265
6.1. Вычислительные устройства в системах контроля целостности трубопроводов 265
6.1.1. Оценка точности локализации утечек системой контроля 265
6.1.2. Апробация устройства в полевых условиях эксплуатации 268
6.2. Апробация в составе системы контроля технического состояния и режима работы двигателя 274
6.2.1. Обработка сигналов вибрации двигателя 275
6.2.2. Определение набора признаков неисправностей в цилиндропоршневой группе 277
6.2.3. Диагностика неисправности двигателя B20B-Honda 280
6.2.4. Диагностика неисправного цилиндра двигателя K20A-Honda 282
6.2.5. Диагностика неисправного цилиндра двигателя ВАЗ-2101 284
6.3. Выводы по главе 286
Заключение 288
Список источников литературы 298
Приложение А. Копии патентов РФ на изобретение 331
Приложение Б. Копии свидетельств регистрации программ для ЭВМ 337
Приложение В. Копии актов внедрения и справок об использовании результатов работы 349
Приложение Г. Принципиальные схемы созданного устройства вычислительной техники 362
