otvety_4

Программное обеспечение визуализации

При визуальном представлении научно-технической информации используются различное программное обеспечение: пакеты семейства редакторов фирмы Adobe; графические редакторы (CorelDraw, Adobe PhotoShop, Paint, PhotoEditor, 3D Studio и др.); табличные процессоры (Excel и др.); пакеты программ Matlab и

Mathcad (создание интерактивных документы с вычислениями и визуальным сопровождением); LabVIEW (обработка и визуализация данных).

На этапах проектирования изделий приборостроения оформляется различная конструкторская документация: чертежи, рисунки, принципиальные схемы и т.д. Указанные виды работ могут быть автоматизированы на основе применения САПР, которые служат для выполнения почти всех работ с двумерными чертежами, имеют набор функций по трехмерному моделированию (AutoCAD, Компас), обеспечивают оформление документации для принципиальных схем и печатных плат (P-CAD).

10.Примеры визуального представления данных в научно-технической документации: иллюстрации, графики, диаграммы. Виды диаграмм.

В научно-технической документации применяются различные виды визуализации (ниже приведены примеры визуализации данных и их описание)..

Иллюстрация – это представление реально существующего зрительного ряда. Самое бесспорно необходимое использование визуализации. Сравните полноту и точность информации, полученной из текста и из иллюстрации. Например, физическое явление – интерференция (рис.1), спектр сигнала (рис.2).

Диаграммы визуализируют количественные и качественные связи. Разные виды диаграмм используют для демонстрации данных, качественных и количественных связей, включают в работу над информацией пространственное мышление в дополнение к логическому.

Качественные диаграммы Качественные диаграммы показывают структуру набора данных и взаимосвязи между его элементами.

Сетевая диаграмма. Такой вид диаграмм используется для демонстрации качественных связей

(рис.3).

Формализованная блок-схема (block diagram) (Рис.4). Показывает ключевые шаги, которые проходит процесс, в виде связанных друг с другом однонаправленными стрелками блоков. Диаграммы визуализации процесса. Показывают процесс, состоящий из последовательности действий, включает один или несколько сценариев развития. Например, диаграмма циклического процесса (рис.5). Показывает ключевые шаги процесса, который содержит набор повторяющихся действий.

Граф и дерево (graph, tree) (рис. 6). Показывает иерархию набора данных, соподчиненных друг с другом, в виде соединенных линиями узлов либо сверху вниз, либо из центра композиции. Таблица (matrix). Показывает набор данных в виде заполненных его значениями ячеек, которые образуют собой строки и столбцы. Каждому столбцу и строке соответствует параметр, определяющий ячейку для значения.

Диаграммы связей. Показывают связи внутри набора данных, как правило, достаточно большого.

Круговая диаграмма связей (network diagram, arc diagram). Показывает связи внутри набора данных в виде кольца, на котором расставлены значения. Значения связаны дугами или линиями, находящимися во внутренней области круга. При большом количестве значений они могут находиться и внутри кольца, хотя это менее наглядно. Связи также могут иметь направление.

Количественная диаграмма

Это — изображение, рисунок, чертёж (графическое представление данных), позволяющее быстро

оценить соотношение нескольких величин. Представляет собой геометрическое символьное изображение информации с применением различных приёмов техники визуализации.

Графики (рис 7) — это тип диаграмм, на которых полученные данные изображаются в виде точек, соединённых прямыми линиями. Точки могут быть как видимыми, так и невидимыми (ломаные линии). Также могут изображаться точки без линий (точечные диаграммы, рис. 8). Для построения диаграмм-линий применяют прямоугольную систему координат. На осях наносят масштабы. Как правило, графики представляют собой двухмерные линейные графики одной или многих переменных.

Гистограммы (рис. 9) позволяют увидеть, как распределены значения переменных по интервалам группировки, то есть, как часто переменные принимают значения из различных интервалов. Таким образом, гистограмма представляет собой графическое изображение зависимости частоты попадания элементов массива числовых данных от соответствующего интервала группировки. Гистограмма представлена в виде прямоугольников, высота которых пропорциональна частоте, а ширину прямоугольников (интервал группировки) обычно для удобства восприятия берут одинаковую. Особенно полезна гистограмма для большого числа данных, например, больше 100.На простой гистограмме отображаются частоты значений одной переменной, а на составной можно отобразить одновременно частоты нескольких переменных.

Столбчатая диаграмма (рис. 10) - используется для демонстрации количественных показателей переменных. Столбчатая диаграмма изображает статистические данные в виде вертикальных прямоугольников или трёхмерных прямоугольных столбиков. Каждый столбик изображает величину уровня данного статистического ряда. Все показатели выражены одной единицей измерения для сравнения показателей данного ряда.

Разновидностями столбчатых диаграмм являются линейные (полосовые) диаграммы (рис.11). Они отличаются горизонтальным расположением столбиков. Столбчатые и линейные диаграммы взаимозаменяемы. Столбчатые диаграммы могут изображаться и группами (одновременно расположенными на одной горизонтальной оси с разной размерностью варьирующих признаков). Образующие поверхности столбчатых и линейных диаграмм могут представлять собой не только прямоугольники, но и квадраты, треугольники и т. д.

Диаграммы рассеяния. Двухмерные диаграммы рассеяния используются для визуального исследования зависимости между двумя переменными X и Y (например, весом и ростом человека, рекламой и объемом продаж и т. д.).

Круговые диаграммы (рис.12) используются для демонстрации количественных показателей. Лучше других показывает долю, участие параметров в общем «пироге», так как идея целого очень наглядно выражается кругом, который представляет всю совокупность. Относительная величина каждого значения изображается в виде сектора круга, площадь которого соответствует вкладу этого значения в сумму значений. Этот вид графиков удобно использовать, когда нужно показать долю каждой величины в общем объёме.

Радиальные диаграммы (рис. 13) - используются при наличии множества факторов и при циклических закономерностях. В отличие от линейных диаграмм, в радиальных или сетчатых диаграммах более двух осей. По каждой из них производится отсчёт от начала координат, находящегося в центре. Для каждого типа полученных значений создаётся своя ось, которая исходит из центра диаграммы. Эти диаграммы напоминают сетку или паутину, их называют еще сетчатыми. Преимущество радиальных диаграмм отображают одновременно несколько независимых величин, которые характеризуют общее состояние структуры статистических совокупностей. Если отсчёт производить не с центра круга, а с окружности, то такая диаграмма называется спиральной.

Тепловая диаграмма (heat map) (рис. 14) - сравнивает значения внутри набора данных, закрашивая их одним из цветов в заранее выбранном спектре. Основой является изображение или другая диаграмма, на которой расставлены значения. Цвет зависит от величины параметра и накладывается в виде пятен.

Трехмерные диаграммы (рис.15)- используется трёхмерная визуализация, спроецированная на плоскость, что придаёт ей отличительные черты или позволяет иметь общее представление об области, в которой она применяется

осуществляется не непрерывно, а только в дискретные моменты времени и при представлении результатов измерения возникает проблема - необходимо максимально точно отобразить результаты измерений, при этом трудно воспринять форму сигнала, изображённого набором значений.

При отображении сигнала Х(t) представим его значения (выборки) в моменты времени iTo (рис. 1), (To - шаг дискретизации), которые преобразуются в численные значения (коды) N(iTo). В итоге получим представление Х(t) массивом чисел {N(iTo)}, где N – коды значений сигнала в моменты времени iTo.

б)

Рис. 1. Исходный сигнал (а) и восстановленный путем интерполяции сигнал (б).

Способы восстановления сигналов: cтупенчатая экстраполяция, линейная интерполяция и др.

Погрешность восстановления сигналов включает две составляющие: погрешность восстановления сигнала по его дискретным отсчетам и погрешность квантования сигнала при представлении отсчета сигнала его численным значением. Погрешность восстановления обычно является превалирующей.

При визуализации линейная интерполяции более эффективна: для ступенчатой аппроксимации синусоиды при погрешности восстановления 1 % требуется 600 выборок на период сигнала, а при интерполяции всего – 20.

12.Цифровой осциллограф. Принцип действия.

цифровые осциллографы (ЦО) – представляющие собой аппаратно-программные средства с очень высокими техническими характеристиками.

По возможностям обработки сигналов и быстродействию ЦО приближаются к специализированным сигнальным процессорам, а по возможностям отображения результатов обработки превосходят их.

1 Структура и принцип действия цифрового осциллографа

На рис. 1 в предельно упрощенном виде показана структурная схема цифрового осциллографа (ЦО).

Рис. 1. Упрощенная структурная схема цифрового осциллографа (ЦО)

МУ – масштабирующее устройство (усилитель и делитель напряжения); АЦП – аналого-цифровой преобразователь; ОЗУ – оперативное запоминающее устройство; МК – микроконтроллер; ЗУ – запоминающее устройство; Э – экран; ОУ – органы управления ( кнопки, ручки).

Пройдя через МУ, входное напряжение u(t) преобразуется АЦП в дискретную последовательность кодовых слов Ni , отображающих мгновенные значения ui этого напряжения. Каждое новое кодовое слово записывается в ОЗУ. При этом все предыдущие записанные отсчёты сдвигаются на одну ячейку (регистр

сдвига), а самый первый N1 исчезает, как бы «выталкивается». Если ОЗУ состоит из М ячеек, то в нём, постоянно обновляясь, содержится М последних, «свежих», кодовых слов. Так продолжается до тех пор, пока не будет выполнено некое заданное условие, например, когда какое-либо ui впервые превысит заданный оператором уровень («запуск по уровню»). После этого содержимое некоторого количества ячеек ОЗУ переписывается в запоминающее устройство ЗУ, входящее в состав микроконтроллера МК.

Каждой ячейке ЗУ соответствует точка на экране по цвету отличающаяся от фона. Её абсциссу определяет номер ячейки, а ординату кодовое слово Ni, находящееся в этой ячейке. Для хорошего изображения сигнала на экране вполне достаточно 2 точки на 1 мм. Средних размеров экран имеет высоту 100 мм и ширину 120 мм. Следовательно, на экране должны располагаться 200 × 240 = 48 000 точек или более.

Таким образом, для формирования хорошего изображения АЦП должен иметь не менее 8 двоичных разрядов (256 точек по вертикали) и ЗУ должно содержать 256 ячеек.

Но количество ячеек ОЗУ может быть гораздо больше. Зачем?

ЦО позволяет делать замечательную вещь – запоминать в ОЗУ изображение всего сигнала. В ЦО можно видеть предысторию сигнала до появления импульса запуска. Это называют «предзапуском». Частоту

дискретизации (частоту «выборок») можно изменять в широких пределах, что соответствует изменению масштаба по горизонтали и аналогично изменению скорости развёртки в аналоговых осциллографах.

Для изменения масштаба по вертикали, как и в аналоговых осциллографах, можно изменять коэффициенты усиления или деления соответственно входного усилителя или делителя напряжения.

ЦО позволяет: растягивать во времени фрагменты записанного в память сигнала, складывать и вычитать сигналы в разных каналах, определять частотный спектр сигнала путём применения быстрого преобразования Фурье и проч.

13.Характеристики и функциональные возможности цифровых осциллографов.

Частота дискретизации сигналов для цифровых осциллографов. Качество изображения зависит от частоты дискретизации. Частота дискретизации характеризует число отсчетов сигнала, которое берется за 1 секунду. Для ЦО максимальная частота выборки значений сигнала достигает 100Мв/с (мега выборок в сек) на однократной развертке и 25 Гв/с (гигавыборок в сек-25 миллиардов выборок в сек). Это означает, что отсчеты сигнала берутся с шагом дискретизации 0.04 нс. Столь высокая частота недостижима простыми аппаратными средствами и является в какой-то мере виртуальной величиной. Сверхвысокая частота дискретизации обеспечивается только для периодических

сигналов путем накопления числа отсчетов.

Для отображения одного периода синусоиды, как отмечалось выше, достаточно 20 точек. На рис 3 для примера представлено отображение сигнала частотой 30 МГц при частоте дискретизации 100 Мв/c. При этом на один период синусоиды приходится 3 выборки, в результате отчетливо видны существенные искажения сигнала. На рис 4 сигнал частотой 5 МГц, на период приходится 20 выборок и искажения отсутствуют. Частоту дискретизации можно изменять в широких пределах, что соответствует изменению масштаба по горизонтали и аналогично изменению скорости развёртки в аналоговых осциллографах.

Рис. 3 Рис. 4 Коэффициент развертки Кр. Диапазон изменения Кр характеризует возможности ЦО по

отображению сигналов различной длительности и равен отношению длительности сигнала, отображаемого на экране, к длине экрана по горизонтали в делениях. При частоте дискретизации Fд = 1/ То, (Tо – шаг дискретизации сигнала) Кр =(MТо)/Lx = M/(LxFд), где M – объем памяти ОЗУ для

хранения массива выборок сигнала равный числу точек по ширине экрана (обычно256); Lx – ширина экрана делений.

Чем выше Fд, тем короче временные интервалы сигнала, отображаемые на экране, т.е. более быстроменяющиеся сигналы можно отображать на экране ЦО. Обычно M = 28. За счет изменения Fд можно изменять Кр в широких пределах, обычно для ЦО Кр меняется от 1нс/дел до 50с/дел.

Коэффициент отклонения Ко. Диапазон изменения Ко характеризует возможности отображения сигналов различной амплитуды. Коэффициента отклонения Ко равен отношению полного размаха амплитуды сигнала, отображаемого на экране, к длине экрана по вертикали в делениях. Величина Ко зависит от коэффициента усиления или деления масштабирующего устройства МУ (см. рис.2) и лежит в диапазоне 0.1мВ/дел до 10 В/дел.

Длина памяти. Чем больше внутренняя память ЦО, тем более "длинную" часть входного сигнала она позволяет записать и соответственно исследовать ее без потери полезной информации. При записи отсчетов сигнала во внутреннюю память его можно как бы растянуть в тысячи раз и после исследовать его участки просто перемещая по оси времени. ЦО используют длину памяти от 2.5К до 125К. Наличие большого объема внутренней памяти и применение передовых принципов обработки сигнала позволяет получить эквивалентную частоту дискретизации периодических сигналов до 25 Гв/c.

Функциональные возможности цифровых осциллографов Запись двух осциллограмм во внутреннюю память. Эта возможность является в настоящий

момент стандартной для всех ЦО и позволяет записывать в память до двух осциллограмм и впоследствии выводить их на экран.

Математические функции с входными сигналами. Помимо стандартных для двухканального осциллографа режимов сложения и вычитания сигналов, ЦО могут производить усреднение входного сигнала за количество периодов 2,4,8…256, что позволяет исследовать сигналы искаженные шумом.

Автоматические и маркерные измерения. Одна из наиболее используемых функций ЦО - это автоматические измерения (вид экрана ЦО показан на рис. 5), что позволяет одним ЦО заменить вольтметр, частотомер, измеритель временных интервалов и измерить до 15 параметров сигнала. Это:

Временные параметры -частоту (F), период (Т), время нарастания, время спада,

скважность импульсов, длительность импульса.

Амплитудные параметры - максимальное и минимальное значение; размах от пика до пика; средневыпрямленное, среднеквадратичное, амплитудное значения. Одновременно возможно выводить до 5 измеряемых параметров по обоим каналам, т. е. одновременно выводятся 10 результатов измерений.

Маркерные (курсорные) измерения. Эти измерения проводятся с помощью специального режима, позволяющего проводить измерения с помощью наведения курсоров на определенные места изображения сигнала на экране. Маркерные измерения (вид экрана ЦО показан на рис. 6) позволяют проводить -измерения (измерение разности значений), измерение пиковых значений, определять экстремумы, проводить точные амплитудные и частотные измерения.

Быстрое преобразование Фурье (БПФ). Применение встроенного микропроцессора с высоким быстродействием позволяет реализовать БПФ ( рис.7) и позволяет оперативно отобразить спектр сигнала присутствующего в настоящий момент на экране осциллографа, измерить параметры всех его гармоник.

14.Технологии информационного обеспечения жизненного цикла изделий приборостроения (CALSтехнологии): назначение, виды обеспечения.

CALS-технологии (Continuous Acquisition and Life cycle Support — непрерывная информационная поддержка жизненного цикла изделий (маркетинга, проектирования, научноисследовательских и опытно-конструкторских работ (НИОКР), подготовки производства, производства (изготовления), реализации, эксплуатации, утилизации)). Цель применения CALS - повышение эффективности взаимодействия участников создания, производства и дальнейшего использования продукта.

ИПИ (информационная поддержка процессов жизненного цикла изделий) — русскоязычный аналог понятия CALS. На рис. 1 показано аппаратно-программное и информационное обеспечение CALS.

Рис.1. Информационная поддержка процессов жизненного цикла изделий приборостроения на основе CALS.

CALS – это автоматизированная система управления, интегрирующая информационные процессы и ресурсы между участниками жизненного цикла изделий в едином информационном пространстве, и управляющая их интегрированным информационным обеспечением.

Использование сетевых технологий позволяет организовать процессы проектирования изделий, разработки технологических процессов производства путем взаимодействия распределенных в пространстве аппаратно-программных средств, что можно рассматривать как виртуальное производство при участии организаций различных стран и регионов.

Для эффективного взаимодействия участников жизненного цикла изделий на основе CALS структура проектной, технологической, эксплуатационной документации, понятийный аппарат и языки представления данных должны быть стандартизованы. В России ведется работа по созданию национальных CALS-стандартов - разработан ряд стандартов серии ГОСТ Р ИСО 10303, являющихся аутентичными переводами соответствующих международных стандартов STEP (Standard for Exchange of Product Data - стандарт для обмена данными о промышленной продукции).

Виды обеспечения CALS-технологии

В составе CALS различают лингвистическое, информационное, математическое, программное, методическое, техническое и организационное обеспечение системы.

Лингвистическое обеспечение составляют языки и форматы данных о промышленных изделиях

ипроцессах, используемые для представления и обмена информацией на всех этапах жизненного цикла изделий.

Информационное обеспечение составляют базы данных, содержащие сведения о промышленных изделиях, используемые различными системами в процессе проектирования, производства, эксплуатации и утилизации изделий; серии международных и национальных CALS-стандартов и спецификаций.

Математическое обеспечение включает, модели и алгоритмы взаимодействия различных систем

иих компонентов в CALS (методы структурного и имитационного моделирования, методы планирования и управления процессами, распределения ресурсов).

Программное обеспечение представлено программными комплексами, предназначенными для поддержки единого информационного пространства на всех этапах жизненного цикла изделий. Это системы управления документами и документооборотом, управления проектными данными, взаимодействия предприятий в электронном бизнесе, подготовки интерактивных электронных технических руководств и некоторые другие.

Методическое обеспечение представлено методиками выполнения таких процессов, как структурирование сложных объектов, их функциональное и информационное моделирование, параллельное (совмещенное) проектирование и производство, объектно-ориентированное проектирование, создание онтологии приложений.

Техническое обеспечение включает аппаратные средства получения, хранения, обработки и визуализации данных при информационном сопровождении изделий. Взаимодействие частей виртуальных предприятий, систем, поддерживающих разные этапы жизненного цикла изделий, происходит через линии передачи данных и сетевое коммутирующее оборудование.

Организационное обеспечение представлено различного рода документами, совокупностью соглашений и инструкций, регламентирующих роли и обязанности участников жизненного цикла изделий.

15.Применение САПР в приборостроении. CAD, САЕ, САМ системы. Роль и взаимодействие видов САПР на этапах жизненного цикла изделий приборостроения

Применение САПР в приборостроении

Разработка и производство изделий приборостроения связана с решением схемотехнических, конструкторских и технологических задач.

В рамках жизненного цикла изделий приборостроения система автоматизированного проектирования (САПР) решает задачи автоматизации работ на стадиях проектирования и подготовки производства на основе использования информационных технологий.

Рис.1. Взаимодействие видов САПР на этапах проектирования, подготовки производства и производства

На следующем этапе ЖЦИ - подготовки производства, на основании разработанной в процессе проектирования документации по стандартам ЕСКД с помощью CAM– систем разрабатывается технологическая документация по стандартам единой системы технологической документации (ЕСТД), которая в дальнейшем используется в процессе производства комплектующих изделия, в частности в информационных системах компьютерного числового управления (CNC – системах).

16.Примеры САПР: P-CAD, AutoCAD, CAD/CAM система ADEM.

Автоматизированное проектирование электрических схем и печатных плат P-CAD

Система P-CAD включает в себя основные программные модули:

редактор схемы компонентов;

редактор корпусов компонентов;

редактор принципиальных схем с утилитами;

редактор печатных плат (ПП) с программой трассировки;

менеджер библиотек.

Основные этапы проектирование приведены в таблице.

Этапы проектирования

Системы автоматизации проектирования CAD/CAM

Эти системы предназначены для обеспечения построения объемной модели изделия и подготовки на ее основе чертежей, управляющих программ и проектирования технологической оснастки. Как правило, они включают в себя также и модули CAE (Computer Aided Engineering), позволяющие проводить инженерные расчеты и анализ проверки проектных решений.

Классификация. CAD/CAM-системы делятся на универсальные и специализированные, которые имеют узкую специализацию и ориентированы на выполнение определенного вида работ. Кроме того, CAD/CAM-системы условно подразделяются на системы низкого, среднего и высокого уровня. Основными критериями данной классификации являются: наличие единой базы данных, реализуемость принципа "параллельного проектирования", тип моделирования (каркасное, поверхностное, твердотельное или гибридное), а также возможность ведения сложных сборочных проектов.