Сейсмическая станция с блоком речевого сопровождения, использующим принцип дельта-модуляции

Сейсмическая станция с блоком речевого сопровождения, использующим принцип дельта-модуляции

Иллюстрации

Показать все

Реферат

Предлагаемое изобретение относится к области автоматики в геофизическом приборостроении и может быть использовано в различных геофизических приборах, например таких, как сейсмические станции.

Известны сервисные устройства, используемые в геофизических приборах, которые обеспечивают представление оператору контрольной информации о работоспособности аппаратуры. В простейшем случае это может быть обычная лампа накаливания или светодиод, индицирующий достоверность или отклонение контролируемого параметра, например, при контроле напряжения питания. Более сложные блоки обеспечивают обработку сигналов (компарирование, аналого-цифровое преобразование, логические операции и т.п.), но результат обработки также выдается на световой индикатор. В некоторых случаях параллельно световому индикатору подключается звуковой тональный генератор, как это реализовано, например, в блоке цифрового накопителя сейсмической станции «Прогресс-2» [1].

В настоящее время практически во всех сейсморегистрирующих системах, как малоканальных («Диоген», «McSeis», «Синус»), так и многоканальных («Прогресс», «Интромарин», «SN») для визуализации сейсмограмм используется дисплей. Поэтому наряду с геофизической информацией на экране дисплея отображаются данные контроля работоспособности различных блоков и модулей аппаратуры. Например, напряжение питания аккумуляторных батарей в системе «SN-388» отображается в виде стилизованной гистограммы (затемненные прямоугольники, длина которых пропорциональна напряжению на клеммах батареи в момент контрольного измерения). Правильность подключения сейсмических датчиков в станции «Синус-24MS» также отображается в виде различных цифровых, буквенных и графических символов. Практически весь спектр контролируемых параметров так или иначе представлен на экране дисплея современной сейсмической станции, а это десятки значений. В то же время, опыт полевых геофизических работ показывает, что при напряженной работе, особенно к концу рабочего дня, вероятность пропуска оператором какого-либо контрольного параметра, отображаемого на дисплее, резко возрастает. Соответственно возрастает вероятность брака в работе и, как следствие, снижается производительность.

Целью предлагаемого изобретения является снижение вероятности неадекватных действий оператора в связи с усталостью или какими-то отвлекающими факторами, т.е. снижение брака в работе и, как следствие, повышение производительности.

Цель реализуется за счет введения в состав сейсмостанции дополнительного блока, обеспечивающего представление контрольной информации не только в виде зрительных образов, но и в виде речевых сообщений.

Современные цифровые технологии позволяют реализовать эту задачу в виде компактного и экономичного электронного узла. В [2] на рис.1 показана структурная схема устройства, которое обеспечивает воспроизведение любого звукового фрагмента, предварительно записанного в постоянное запоминающее устройство (ПЗУ) в виде цифровых кодов, описывающих воспроизводимый звук. Однако применение такого устройства для реализации наших целей затруднительно в силу следующих причин.

Во-первых, как упоминалось выше, число контролируемых параметров в сейсмической станции может достигать 10 и более. Следовательно, речевых сообщений, размещенных в ПЗУ в виде цифровых кодов, должно быть столько же, причем каждое сообщение должно воспроизводиться только при наличии некоторого стартового сигнала, соответствующего определенному сообщению. Реализовать данную функцию можно путем включения в схему дополнительного управляющего микроконтроллера, имеющего n стартовых входов, подключенных к датчикам контролируемых параметров станции, и управляющий выход.

Во-вторых, в [2] при кодировании (и соответственно при декодировании) звуковых сигналов используется метод широтно-импульсной модуляции (ШИМ), основным недостатком которого является высокий уровень спектральных шумов на частотах, близких к частоте квантования. Поэтому был применен дорогостоящий и не всегда устойчиво работающий фильтр низкой частоты (ФНЧ) восьмого порядка. Устранить данный недостаток можно, применив для кодирования (и декодирования) звукового сигнала метод дельта-модуляции (ДМ) [3]. Линейная дельта-модуляция (ЛДМ) подразумевает существенную сверхдискретизацию аналогового сигнала в процессе кодирования, но поскольку частота дискретизации при кодировании и декодировании должна быть одинаковой, то сверхдискретизация обеспечивает смещение главной компоненты спектрального шума в область высоких частот (за пределы диапазона звуковых сигналов). Поэтому устранение спектральных шумов при декодировании (восстановлении аналогового сигнала из цифрового) становится тривиальной задачей, решить которую можно, применив ФНЧ первого порядка, т.е. простейший RC интегратор.

На фиг.1 показана структурная схема блока речевого сопровождения, который содержит последовательно соединенные микроконтроллер 1 управления, имеющий n стартовых входов, ПЗУ 2, RC интегратор 3 первого порядка, выполняющий одновременно функции дельта-демодулятора (цифро-аналогового преобразователя) и ФНЧ первого порядка, усилитель мощности 4 звуковой частоты (УМЗЧ) и громкоговоритель 5. Работает блок речевого сопровождения следующим образом.

Как видно из чертежа (фиг.1), микроконтроллер 1 управления кроме выхода имеет n входов, каждый из которых является стартовым для воспроизведения необходимого звукового фрагмента. Входы могут быть подключены к различным узлам и датчикам сейсмостанции, формирующим стартовые сигналы (кнопочный включатель, компаратор, триггер и т.п.). При поступлении стартового импульса на один из входов, микроконтроллер 1 управления формирует соответствующий начальный адрес для ПЗУ 2, с которого начинается воспроизведение звуковой фразы. Рассмотрим конкретный пример. Положим вход X₁ микроконтроллера 1 управления подключен к выходу компаратора, который осуществляет сравнение напряжения питания аккумулятора с некоторым пороговым уровнем. Пока напряжение аккумулятора выше установленного порога - на входе X₁ присутствует логический 0, на который микроконтроллер не реагирует. При снижении напряжения питания ниже порогового уровня, компаратор формирует лог.1, которая поступает на вход X₁. Микроконтроллер анализирует изменение состояния и вырабатывает управляющую команду, в результате чего начинается считывание информации из ПЗУ 2, например, с адреса 0Н. Цифровая ДМ последовательность в RC интеграторе 3 восстанавливается в аналоговый сигнал, далее усиливается в УМЗЧ 4 и воспроизводится через громкоговоритель 5. Для нашего примера это может быть фраза: «Аккумулятор разряжен». При поступлении стартового сигнала на вход Х₂ или какой-то другой, микроконтроллер 1 управления работает аналогично. Отличие заключается лишь в установке микроконтроллером начального адреса считывания цифровых данных из ПЗУ 2, отличного от 0Н, что соответственно обеспечивает воспроизведение другой фразы.

Поскольку в настоящее время выпускаются компактные и недорогие микросхемы ПЗУ с объемом памяти до нескольких Мбайт, с помощью предлагаемого блока можно сформировать более десятка контрольных речевых сообщений, описывающих состояния различных узлов сейсмостанции.

Предварительное размещение цифровых кодов необходимых контрольных сообщений в адресном пространстве ПЗУ 2 можно осуществить с помощью известных компьютерных программ и технологий, например, как это описано в [2]. Следует лишь учитывать, что ДМ кодирование отличается от ШИМ, примененной в [2]. Для формирования ЛДМ кодов можно воспользоваться рекомендациями и соответствующим алгоритмом, достаточно подробно рассмотренными в [3].

Наиболее близким к предлагаемому является устройство, рассмотренное в [4] - прототип. Здесь на фиг.2 приведена структурная схема варианта цифровой сейсмической станции, основными узлами которой являются последовательно соединенные сейсмический датчик, усилитель, аналого-цифровой преобразователь (АЦП), оперативное запоминающее устройство (ОЗУ) и цифро-аналоговый преобразователь (ЦАП). Работой АЦП и ОЗУ управляет соответственно генератор и устройство управления. Каждый из перечисленных узлов выполняет стандартные для сейсмостанции функции, описанные в [4].

Для реализации цели предлагаемого изобретения предлагается ввести в состав сейсмостанции дополнительный блок речевого сопровождения, описанный выше и приведенный на схеме фиг.1. Структурная схема такой сейсмической станции изображена на фиг.2. Она состоит из последовательно соединенных сейсмического датчика 6, усилителя 7, АЦП 8, ОЗУ 9 и ЦАП 10, а также из дополнительно введенного блока 11 речевого сопровождения, развернутая схема которого показана на фиг.1. Поскольку в состав блока 11 речевого сопровождения входит микроконтроллер, который является управляющим для ПЗУ 2, целесообразно передать этому устройству также функции управления работой АЦП 8 и ОЗУ 9. Данная задача решается достаточно просто на программном уровне, т.к. для управления АЦП 8 требуется сформировать тактовый сигнал, а для управления ОЗУ 9 - адресный счетчик. Соответственно тактовый и адресный входы этих узлов соединяются с управляющими выходами микроконтроллера 1 управления.

Функциональное назначение отдельных узлов блока 11 речевого сопровождения и его работа описаны выше. Следует только добавить, что макетный вариант предлагаемого блока был успешно опробован в версии сейсмической станции «Синус», разработанной в Институте геофизики УрО РАН.

Источники информации

1. Турлов П.А., Ямпольский А.М., Гольштейн В.Л. Эксплуатация цифровых сейсморазведочных станций "Прогресс". - М.: Недра, 1986.

2. Долгий А. Как записать в ПЗУ аудиоданные из WAV-файла и "проиграть" их. Радио, 2001, №4, с.25-27. Радио, 2001, №5, с.23, 24, М.: ОАО ПО "Пресса-1", 2001.

3. Котович Г.Н., Ламекин В.Ф. Проектирование дельта-преобразователей речевых сигналов. - М.: Радио и связь, 1986, 190 с.

4. Палагин В.В., Попов А.Я., Дик П.И. Сейсморазведка малых глубин. - М.: Недра, 1989, с.11, 12 - прототип.

Сейсмическая станция с блоком речевого сопровождения, использующим принцип дельта-модуляции, состоящая из последовательно соединенных сейсмического датчика, усилителя, аналого-цифрового преобразователя, оперативного запоминающего устройства и цифроаналогового преобразователя, выход которого является выходом станции, отличающаяся тем, что в нее дополнительно введен блок речевого сопровождения, состоящий из последовательно соединенных микроконтроллера управления с n входами, постоянного запоминающего устройства, RC-интегратора первого порядка, усилителя мощности звуковой частоты и громкоговорителя, причем n входов микроконтроллера управления являются стартовыми для блока речевого сопровождения и подключаются к датчикам контролируемых параметров сейсмостанции, а два управляющих выхода микроконтроллера управления соединены соответственно с тактовым входом аналого-цифрового преобразователя и с адресным входом оперативного запоминающего устройства.