Информационно-измерительная система регистрации параметров геомагнитных возмущений

Одним из динамично развивающихся научных направлений в настоящее время является исследование в области магнитобиологии — раздела биофизики, изучающего особенности биологических процессов, обусловленных воздействием слабых низкочастотных магнитных полей, не вызывающих нагрева тканей. Таким образом, в область исследования попадает так называемый слабый магнитный шум (вариации магнитного поля) как естественного, так и техногенного характера. Причем, к естественным магнитным вариациям следует относить не только периодические (суточные, годовые и 11-летние) геомагнитные вариации, но и непредсказуемые скачки напряженности геомагнитного поля, как результат хаотичных взрывов на Солнце, а также их последствия — магнитные бури.

Актуальность работы.

Всемирная организация здравоохранения рассматривает отклонения магнитного фона на рабочих местах и в жилых помещениях от принятых норм как фактор стресса для организма человека, а так же как причину ряда серьезных заболеваний, некоторые из которых сопровождаются летальным исходом.

Известно, что в период геомагнитных возмущений (ГМВ) в 3 раза увеличивается число инфарктов, в 2 раза увеличивается число инсультов и приступов стенокардии, увеличивается на 50−55% число пациентов, страдающих ишемической болезнью сердца и жалующихся на недомогание.

Однако, особенности воздействия слабых магнитных полей (главным образом в области низких и сверхнизких частот) на биологические объекты во многом остаются неясными, в связи с чем неоднозначной становится и оценка негативного влияния вариаций магнитных полей в рассматриваемой области.

Поэтому, в постоянном контроле «магнитной загрязненности» нуждаются такие учреждения, как медицинские кардиологические и нейрохирургические стационары, родильные дома, воинские части, станции теле и радиовещания и т. п.

В настоящее время регистрацию параметров магнитосферы Земли в реальном времени ведут специализированные магнитные обсерватории, размещенные в различных регионах Российской Федерации. Причем, из ряда параметров ГМВ регистрируют как правило вариации вертикальной и горизонтальной составляющей вектора напряженности магнитного поля на конкретной географической широте.

Данные, получаемые обсерваториями, являются доступными и адаптированными для узкоспециализированных организаций (ИЗМИРАН, Государственная метеорологическая служба и т. п.). Широкая же аудитория — медицинские и иные организации, получают информацию о текущем состоянии магнитосферы Земли, как правило, по публикациям в средствах массовой информации и порою со значительным запаздыванием.

Кроме того, магнитные обсерватории располагаются в местах удаленных от городских инфраструктур, что существенно отличает картину магнитного поля в локальных точках дислокации обсерваторий от магнитного фона в крупных городах и промышленных центрах.

Воздействие ГМВ на измерительную аппаратуру, применяемую в геолого-разведочных и навигационных системах, может также существенно исказить достоверность контролируемой информации. Научно-исследовательские и производственные предприятия геофизического профиля (ОАО НПФ «Геофизика», НПП ВНИИГИС, ГУЛ ЦМИ «Урал-гео» и др.), выполняющие комплекс работ по калибровке, поверке и настройке геофизической аппаратуры с магниточувствительными измерительными преобразователями, также сталкиваются с проблемой отсутствия текущей достоверной информации об изменении параметров магнитосферы Земли в реальном времени.

Известные работы ученых и специалистов (Ю.В. Афанасьева, В. Н. Бинги, Н. В. Студенцова, В. Н. Хорева, H.H. Семенова, В. Г. Гусева, Г. В. Миловзорова, A.JI. Бучаенко, Г. Р. Броуна, Ю. Н. Кочемасова и др.) дают объективное представление о классическом, традиционном построении магнитометрической аппаратуры.

Известные магнитометрические информационно-измерительные системы (ИИС) позволяют контролировать параметры магнитных полей в заданном амплитудном диапазоне и с определенной точностью.

Анализ известных работ в области построения аппаратуры подобного рода показывает, что специалистами недостаточное внимание уделяется разработке и созданию ИИС, позволяющих производить автоматизированную регистрацию в реальном времени комплекса параметров ГМВ, особенно в субгармонической области информационных сигналов (т.е. области частот, сопоставимых с биологическими ритмами человека).

Таким образом, разработка и создание ИИС, позволяющей регистрировать комплекс параметров ГМВ различной природы в субгармоническом спектре информационных сигналов, является актуальной научно-технической задачей.

Цель работы. Разработка научно обоснованных методических и технических решений в области создания ИИС регистрации в реальном времени комплекса параметров ГМВ, обеспечивающей проведение анализа информационных сигналов в субгармонической области в автоматизированном режиме.

Решаемые задачи.

1. Выполнить обзор и анализ известных работ и разработок в области создания ИИС контроля и регистрации параметров слабых магнитных полей и определить наиболее перспективные направления их развития.

2. Разработать ИИС, обеспечивающую регистрацию в реальном времени комплекса параметров геомагнитных возмущений в субгармонической области информационных сигналов в автоматизированном режиме.

3. Разработать математические модели для ИИС, а так же на их основе разработать программно-алгоритмическое обеспечение для регистрации параметров геомагнитных возмущений.

4. Разработать методику регистрации комплекса параметров ГМВ (на базе действующих нормативных документов), включающую автоматизированную регистрацию и обработку информационных сигналов в субгармонической области с применением методов цифровой обработки сигналов (ЦОС).

5. Выполнить комплекс экспериментальных исследований ИИС регистрации параметров геомагнитных возмущений и внедрить результатов работы.

Методы исследования.

Основные результаты диссертационной работы получены с использованием некоторых положений аналоговой и цифровой электроники. Так же, в ходе выполнения исследований затрагиваются разделы классической физики, магнитобиологии, интегрального и дифференциального исчисления, разделы алгебры логики и теории цифровой обработки сигналов. Использованы классические подходы программирования при написании алгоритмов работы и управления ИИС на различных уровнях.

Научная новизна.

• Разработана ИИС, обеспечивающая в автоматизированном режиме регистрацию в реальном времени комплекса параметров геомагнитных возмущений в полигармоническом спектре информационных сигналов особенно в субгармонической области.

• Научно обоснованы и предложены в качестве регистрируемых величин переменные (в том числе впервые предложенный параметр интегральной оценки ГМВ), комплексный анализ которых позволит расширить функциональные возможности медицинского персонала в области оценки влияния МП на биологические объекты.

• Разработаны математические модели для ИИС, обеспечивающие комплексный амплитудно-частотный анализ геомагнитных возмущений в субгармонической области информационных сигналов на базе ЦОС методом наименьших квадратов (МНК).

• Разработана методика, обеспечивающая регистрацию комплекса параметров ГМВ (в том числе параметра интегральной оценки ГМВ) в реальном времени в автоматизированном режиме.

Практическая значимость результатов.

• На основе обзора и критического анализа известных магнитометрических ИИС определены наиболее перспективные направления развития в области создания ИИС контроля и регистрации параметров слабых магнитных полей.

• Создан экспериментальный образец ИИС регистрации параметров ГМВ («РПГВ-1»), обеспечивающий регистрацию в реальном времени комплекса параметров ГМВ в том числе в субгармонической области информационных сигналов в автоматизированном режиме.

• Создан пакет прикладных программ, включающий в себя программно-алгоритмический и методический комплекс анализа амплитудно-частотного спектра ГМВ в субгармонической области информационных сигналов на базе методов цифровой обработки сигналов МНК (Свидетельство об официальной регистрации программы для ЭВМ № 2 009 611 194).

На защиту выносятся.

1. ИИС, обеспечивающая регистрацию в реальном времени комплекса параметров геомагнитных возмущений в субгармонической области информационных сигналов в автоматизированном режиме.

2. Математические модели для ИИС, позволяющие осуществлять (по средствам цифровой обработки сигналов методом наименьших квадратов) в автоматизированном режиме амплитудно-частотный анализ геомагнитных возмущений в субгармонической области информационных сигналов.

3. Программно-алгоритмический комплекс, разработанный на базе полученных математических моделей, обеспечивающий регистрацию в реальном времени комплекса параметров ГМВ в субгармонической области информационных сигналов.

4. Методическое обеспечение ИИС, позволяющее вести регистрацию комплекса параметров ГМВ в реальном времени в автоматизированном режиме, а так же результаты экспериментальных исследований.

Апробация работы.

Основные положения и результаты работы докладывались и обсуждались на следующих научных конференциях различного уровня:

• Всероссийская (с международным участием) молодежная научная конференция «XI Туполевские чтения», г. Казань, 2003 г.;

• международная молодежная научная конференция «XXX Гагаринские чтения», г. Москва, 2004 г.;

• V Всероссийская межвузовская конференция молодых ученых г. Санкт-Петербург, 2008 г.;

• международная молодежная научная. конференция «XXXIV Гагаринские чтения», г. Москва, 2008 г.;

• Всероссийская молодежная научная конференция «Мавлютовские чтения», г. Уфа, 2009 г.;

• IV Всероссийская школа-семинар аспирантов и молодых ученых «Актуальные проблемы науки и техники», г. Уфа, 2009 г.;

• XI Международная молодежная научно-практическая конференция «Человек и Космос», г. Днепропетровск, 2009 г.;

• VI Всероссийская межвузовская конференция молодых ученых, г. Санкт-Петербург, 2009 г.

Публикации. Основные результаты диссертационной работы отражены в 14 публикациях, в том числе одна статья в издании из перечня, рекомендованного ВАК, пять статей в сборниках научных трудов, семь публикаций в трудах конференций и одно свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ.

Основное содержание работы.

Диссертация состоит из введения, четырех глав, библиографии и приложения.

— выводы портов микроконтроллера, использующиеся как фильтр не должны переключаться во время преобразования аналогового сигнала [18];

— предусмотреть процесс отображения текущего значения т-индекса непосредственно на плате, что при необходимости позволит системе работать автономно без эксплуатации ПК.

Таким образом, имеем ряд обоснованных рекомендаций, выявленных экспериментально, учитывая которые возможно получить результат работы ИИС регистрации параметров геомагнитных возмущений на качественно новом уровне, сведя тем самым к минимуму возможность возникновения ошибок и неточностей различного рода и характера.

Результаты и выводы.

1. Анализ магниторезистивных сенсоров выявил, что наиболее целесообразно для решения поставленных задач, а именно-регистрация параметров геомагнитных возмущений в трех ортогональных плоскостях является использование датчика фирмы «Honeywell» типа НМС2003.

2. Разработана методика, обеспечивающая регистрацию в автоматизированном режиме комплекса параметров ГМВ, особенно в субгармонической области информационных сигналов в реальном времени, тем самым позволяя расширить функциональные возможности медицинского персонала в области оценки влияния МП на биологические объекты.

3. Разработаны алгоритмы работы и управления ИИС регистрации параметров геомагнитных возмущений в исследуемом диапазоне.

4. Разработан экспериментальный образец ИИС регистрации параметров ГМВ «РПГВ-1», (аппаратный и программные модули). Произведен анализ работы и отладка основных функциональных узлов ИИС.

5. Произведена отладка алгоритмов, и функциональных узлов ИИС регистрации параметров ГМВ.

6. Анализ результатов полученных при работе ИИС регистрации параметров ГМВ в тестовом режиме выявил ряд замечаний, учитывая которые при проектировании конечного экспериментального образца ИИС позволит повысить технические характеристики исследуемой ИИС.

Глава 4 Экспериментальные исследования ИИС «РПГВ-1».

Исследования, проводимые в настоящем разделе, имеют преимущественно эмпирический характер. Их целью является подтверждение результатов теоретических исследований проводимых в предыдущих главах настоящей работы. Отметим, что предварительно необходимо наметить последовательность действий направленных на разработку стратегии экспериментирования (от получения априорной информации до определения наилучших условий). Т.о., необходимо сформулировать методические рекомендации к проведению эксперимента, реализуемого в условиях неполного знания механизма изучаемого явления.

4.1 Описание функциональной схемы ИИС «РПГВ-1».

В предыдущих главах был произведен детальный анализ и синтез некоторых функциональных модулей. Опираясь на эти результаты, произведем синтез детализированной структуры ИИС регистрации параметров геомагнитных возмущений. Данная схема представлена на рисунке 4.1 В схеме приняты следующие условные обозначения:

11х (Вх), Иу (Ву), иг (Вг) — функция напряжения, от вектора магнитной индукции направленного вдоль оси ОХ, ОУ, OZ соответственно (рисунок 2.1);

К (1} - функция подавления сигнала от частоты, К е [0,1];

80.8к)х, (80.8к)у, (80.8к)г — цифровой эквивалент Их (Вх), иу (Ву), Ш (Вг) соответственно. к X ш X оо. с: го X.

I Ф сш се.

Ф о. с: и со о. о: х X го ш о го го.

О. Ю О ш о. п: О сш.

5 В.

Подсистема калибровки.

НМС2003.

1х.

1у.

1 г X У.

Импульсы специальной формы.

20 В.

Ух (Вх) иу (Ву).

JziBz).

Устройство предварительной обработки сигнала ш о X а. о с: о =).

11х (Вх)*Кф иу (Ву)*К (0 т +.

Аналого-цифровой преобразователь со ю + го сгг го го X ьс= го о сс о го ¡-г го ф в.

О).

1- оо сш о сс го о. о с, а >.

30.3к)х, (30.3к)у ,(30.5к)г.

Микропроцессорный модуль.

РЭ-232 / иЭВ.

Цифровой.

КОД.

Подсистема амплитудно-частотного анализа МП.

Подсистема оценки параметров ГМП.

База данных безопасных дозировок магнитного загрязнения.

2: ^ гг го.

5: сс X го.

0) Iо ^ о сг о С.

ПЭВМ «1 г го о. Б ф о. го г ф ь-о О сс о с:

Рисунок 4.1 — Структура ИИС «РПГВ-1».

Анализируя возможные пути технической реализации схемы, представленной на рисунке 4.1, необходимо задаться рядом наиболее существенных электронных компонентов из линейки СБИС, предлагаемой современной элементной базой.

Анализ продукции фирмы «Atmel», в качестве предварительного модуля обработки информации выбран микроконтроллер семейства «Mega» типа ATmegalo, по причине наличия ATMegalo следующих функций и характеристик [70]:

• Максимальная тактовая частота — 16 МГц (8 МГц для ATMegaloL);

• Большинство команд выполняются за один такт ;

• 32 8-битных рабочих регистра ;

• 4 полноценных 8-битных порта ввода/вывода ;

• Два 8-битных таймера/счетчика и один 16-битный ;

• 10-разрядный аналогово-цифровой преобразователь (АЦП);

• Внутренний тактовый генератор на 1 МГц ;

• Аналоговый компараторИнтерфейсы SPI, I2C, TWI, RS-232, JTAG ;

• Внутрисхемное программирование и самопрограммирование ;

• Модуль широтно-импульсной модуляции (ШИМ).

Таким образом, МК ATmegalo обладает необходимым набором качеств, требуемых для решения задач проводимых исследований. Кроме того, приемлемая ценовая политика, и доступные информационные ресурсы предлагаемые фирмой-изготовителем, качественно отличают данное изделие от аналогов.

Принимая во внимание результаты, полученные в разделах 3.1- 3.4, специфику функциональной схемы, (рис. 4.1) и рабочие характеристики, рассмотренных ранее элементов разработана и спроектирована схема электрическая — принципиальная ИИС регистрации параметров геомагнитных возмущений (Приложение 3).

4.2 Определение и анализ основных метрологических характеристикисследуемой ИИС.

Метрологические характеристики — это характеристики свойств средства измерений, оказывающие ВЛИЯНИе На результат измерения и его погрешности. Характеристики, устанавливаемые нормативно-техническими документами, называются нормируемыми, а определяемые экспериментально — действительными. Номенклатура метрологических характеристик, правила выбора комплексов нормируемых метрологических характеристик для средств измерений и способы их нормирования определяются стандартом ГОСТ 8.009−84 «ГСИ. Нормируемые метрологические характеристики средств измерений».

Учитывая то, что рассматриваемая ИИС проектируется впервые и не имеет аналогов, то в настоящем разделе наибольшее внимание будет сосредоточено на действительных метрологических характеристиках.

Руководствуясь разделом 2 стандарта ГОСТ 8.009−84 определим основные метрологические характеристики исследуемой ИИС.

Характеристики, предназначенные для определения результатов измерений.

Результатом измерения ИИС является относительная величина, выражающаяся в процентах. Физический смысл ]Га/ заключается в соотношении предельно допустимой безопасной дозы воздействия МП с известными характеристиками, реально воспринятой организмом дозе воздействия МП с известными характеристиками.

Функция преобразования измерительного преобразователя, а так же измерительного прибора с неименованной шкалой или со шкалой, отградуированной в единицах, отличных от единиц входной величины.

Внешнее магнитное поле воздействует на магниторезистивный датчик, на выходе которого имеем три выходных разности потенциалов соответствующие проекции вектора магнитной индукции на три ортогональные плоскости. Таким образом, выходные разности потенциалов связанны с действующим вектором магнитной индукции соотношением 4.1.

Впреоф.(ихууи2) = -2.5У + (иу -2.5)2 +(С/2 -2.5)2, (4.1) где их, иу, — пропорциональные разности потенциалов, соответствующие проекции вектора магнитной индукции на соответствующие плоскости.

Принимая во внимание, что ИИС работает преимущественно с информацией преобразованной в цифровой вид, то выражение (4.1) в связи с поправками на оцифровку, примет вид выражения 4.2.

4.2).

V оп оп оп оп оп оп где иоп — опорное напряжение АЦП.

Приделы измерения и цена деления шкалы прибора.

Приделы измерения установлены целями проводимых исследований, и определяются как 0 мкТл<|В|<200 мкТл. Цена деления дисплея ИИС задана программным методом, и оценивается как 0.25 мкТл.

Вид выходного кода, число разрядов кода, цена единицы наименьшего разряда кода средств измерений, предназначенных для выдачи результатов в цифровом коде.

Выходной 12-и разрядный код передается последовательными информационными пакетами по 8-и битной шине данных (каждый пакет включат в себя 2 байта информации), и адаптрован под протокол 118−232. Цена деления наименьшего разряда кода соответствует — 200 мкТл.

Характеристики погрешностей ИИС.

Характеристики погрешности ИИС оценивались в специализированной метрологической лаборатории, по эталонным точкам. Результаты эмпирических исследований приведены в таблице 4.1.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

В диссертационной работе решена актуальная научно техническая задача автоматизированной регистрации комплекса параметров ГМВ в субгармоническом спектре информационных сигналов в реальном времени.

1. Обзор и критический анализ известных работ и разработок в области создания ИИС контроля и регистрации параметров слабых магнитных полей выявил, что при регистрации параметров ГМВ (в амплитудно-частотном диапазоне В е [-200,200]лж7л,/ е [0,100] Л/) наиболее целесообразным является метод, основанный на магниторезистивном эффекте.

2. Разработана ИИС регистрации параметров ГМВ, а также создан ее экспериментальный образец «РПГВ-1», обеспечивающий автоматизированную регистрацию в реальном времени комплекса параметров геомагнитных возмущений в субгармоническом спектре информационных сигналов. Абсолютная погрешность «РПГВ-1» находится в пределах: Ал- < 0.126 мкТл. Относительная погрешность «РПГВ-1» находится в пределах: сг'< 0.17%.

3. Обзор и анализ воздействия МП на биологические объекты позволил рекомендовать в качестве регистрируемых величин ряд переменных (в том числе интегральный параметр М), комплексный анализ которых позволит медицинскому персоналу автоматизировано, оперативно и в реальном времени осуществлять процедуру оценки негативного влияния МП как на биологические объекты в общем, так и на человека в частности.

4. Синтезированы базовые ММ, на основе которых создан программно-алгоритмический комплекс для ИИС, позволяющий в автоматизированном режиме производить регистрацию ряда параметров ГМВ в субгармонической области информационных сигналов (на базе методов ЦОС) в реальном времени.

5. Разработана методика, обеспечивающая регистрацию в автоматизированном режиме комплекса параметров ГМВ особенно в субгармонической области информационных сигналов в реальном времени, тем самым в значительной мере позволяя расширить функциональные возможности медицинского персонала в области оценки влияния МП на биологические объекты.

6. Выполнен комплекс экспериментальных исследований информационно-измерительной системы «РПГВ-1», результаты диссертационной работы внедрены в Республиканской детской клинической больнице и в учебном процессе ГОУ ВПО «Уфимский государственный авиационный технический университет» на кафедре «Промышленная электроника».