Расширение возможностей измерительных приборов со встроенными микропроцессорами закономерно сопровождается увеличением объема информации, циркулирующей между оператором (или внешней информационно-измерительной системой) и прибором. Со стороны оператора увеличиваются число режимов измерения и обработки, которые он может задать, число параметров, подлежащих измерению, и число их комбинаций, число дополнительных директив, задаваемых в процессе измерения, и т. п. Со стороны прибора резко возрастают объем визуальной и звуковой информации, число альтернативных вариантов измерения и обработки, возникающих в процессе работы, и т, п, Поэтому по мере усложнения системы все чаще применяется режим интерактивной обработки — многостадийного диалога оператора с микропроцессорным прибором. При этом весь процесс измерения и обработки разбивается на ряд последовательных процедур взаимного обмена информацией. Интерактивный режим эффективен лишь в том случае, когда информация оператору представлена в удобном для восприятия виде, а имеющиеся органы управления со стороны оператора позволяют ему гибко контролировать работу прибора. Обеспечение интерактивного режима составляет основную часть функций микропроцессора по обслуживанию оператора и внешней информационно-измерительной системы — сервисных функций.
Поскольку функции непосредственного управления клавиатурой оператора и индикационными устройствами рассматривались как контроллерные (в § 2.2), здесь рассмотрим главным образом общую структуру диалоговых процедур в измерительных приборах.
До недавнего времени диалоговые процедуры считались прерогативой больших универсальных ЭВМ, обладающих мощными операционными системами для их реализации. В последние годы диалог широко используется в малых и микроЭВМ, причем благодаря их экономичности сфера применения диалоговых процедур значительно расширилась. Чаще всего диалоговые процедуры применяются в системах с большим объемом задания, вводимого оператором. В одних случаях это связано с комплексным характером аналитических процедур, в которых участвует разнородная информация—идентификационная, справочная, информация об исследуемом процессе, часто с наложением шумов и артефактов. Это приводит к нестандартному характеру обработки с необходимостью адаптироваться к меняющимся харакгеристикам объекта исследования и режима измерения. Вместе с тем при большом перечне возможных функций прибора или при большом числе параметров, задаваемых для расчета одной функции, оператору трудно точно сформулировать задание на обработку, особенно при малой квалификации в области вычислительной техники и математических методов. В этих ситуациях применение диалоговых процедур позволяет максимально использовать возможности вычислительной техники для автоматизации рутинных процедур сбора и обработки информации, давать «подсказку» оператору со стороны системы в виде указания последовательности действий, замечаний при неверных действиях, нескольких альтернативных вариантов дальнейших действий и пр.
Можно выделить ряд этапов измерения и анализа с применением диалога.
Ввод задания. Этот этап часто разбивается на ряд подэтапов, каждый из которых выполняется на разных стадиях обработки. На начальной стадии вводится первичный блок задания, включающий в себя идентификационные данные (сведения об объекте измерения, время и условия проведения эксперимента, данные оператора, конфигурацию системы измерения и пр.) и тот минимальный набор параметров задания, который может быть введен априорно.
Сбор и предварительная обработка первичной информации. Этап сбора первичной информации может быть полностью автоматизирован или может проводиться в режиме диалога со стимуляцией объекта измерения с участием оператора.
Этап предварительной обработки состоит из ряда обязательных для данной задачи процедур и процедур, вводимых по желанию оператора. К первым можно причислить распаковку исходных файлов, их кодирование в заданном формате, масштабирование, линеаризацию, калибровку, сжатие информации и пр. Процедуры второго типа вводятся в результате анализа оператором качества первичной информации. Так, в системе измерения биопотенциалов качество записанной электрокардиограммы может быть визуально оценено с помощью дисплея или самописца, и после этого оператор может принять решение о необходимости введения сетевого фильтра, фильтра верхних частот или о необходимости дополнительной записи из-за наличия артефакта. К этим же процедурам предварительной обработки относятся процедуры улучшения качества полутонового изображения, применяемые, например, в гамма-камерах, ультразвуковых скеннерах и др. Отметим, что качество первичной информации может оцениваться и автоматически по объективным критериям—уровню шумов в заданной полосе частот, уровню фона полутонового изображения, дисперсии периодического процесса и пр.;
однако при интерпретации изображения оператором необходимо его участие в визуальной оценке качества информации.
Основная обработка и интерпретация результатов.В простейшем случае этап основной обработки состоит из вычислительных процедур, выполняемых в автоматическом режиме. В более сложных случаях это процесс, обладающий свойствами итеративности и альтернативности и управляемый оператором. Итеративность процесса заключается в неоднократном повторении однотипных вычислительных процедур с изменением ряда параметров, задаваемых оператором. Пример — полуавтоматический амплитудно-временной анализ электрокардиограмм с ручной корректировкой маркеров, отмечающих характерные точки; вводимые при этом параметры — абсциссы характерных точек, отмечаемые маркером. Альтернативность процесса означает возможность для оператора выбора различных ветвей вычислительной процедуры. Например, в телеметрической системе анализа электрокардиограмм с «разумными» микропроцессорными терминалами ресурсы терминала позволяют проводить элементарную диагностику с разбиением на основные классы. Тонкая диагностика проводится с привлечением центрального ядра системы — ЭВМ более высокого класса. Решение о необходимости привлечения ресурсов центральной ЭВМ или достаточности терминальной диагностики принимает оператор терминала.
В функции оператора при проведении итераций и выборе альтернатив входят:
выбор математической модели, адекватной исследуемому объекту, и корректировка ее параметров;
оценка качества результатов исследования, их соответствия между собой и соответствия опыту оператора.
Эти функции имеют неформальный характер, при решении их оператор пользуется эвристическими и интуитивными приемами, вытекающими из его опыта и профессионального мастерства.
Еще один вариант применения диалога в этапе основной обработки — полностью формализованная процедура требующая от оператора сложной последовательности действий, например ввода большого числа взаимозависимых параметров. Примером такой процедуры является вычисление взаимной корреляционной функции двух процессоров.
Варианты задания определяются набором следующих параметров: частоты квантования, объема массива, диапазона задержек, шага задержки, разрядности отсчетов, допустимой погрешности вычисления, модификации функции (стандартная корреляционная, релейная, полярная). Часть этих параметров являются взаимозависимыми, только некоторые сочетания их корректны. Время расчета сложным образом зависит от этих параметров, и расчет в реальном времени (т. е. одновременно с накоплением) возможен лишь в ограниченной области многомерного пространства параметров. Учет всех этих факторов при задании принципиально возможен, так как все эти зависимости формализуемы, но он требует от оператора высокой математической квалификации и проведения дополнительных расчетов. Для подобных процедур целесообразен режим задания с последовательной «подсказкой» оператору допустимых значений очередного вводимого параметра.
Вывод результатов исследования для интерпретации, документирования и архивации. Этот этап частично пересекается с предыдущим этапом. В функции оператора входит:
выбор формы представления результатов: формат символьной таблицы, формат графической информации, линейное, логарифмическое, полулогарифмическое представление графиков, выбор цветовой шкалы и пр.;
выбор технических средств вывода: печать, графопостроитель, дисплей, .внешняя память на магнитных накопителях кассетного или дискового типа, линия связи с внешней системой архивации (базой данных) и пр.
Эти решения оператор принимает, исходя из психофизиологических особенностей восприятия, организационных и конъюнктурных соображений.
Рассмотрим вкратце основные технические и программные средства обеспечения диалога в приборах со встроенными микропроцессорами. Технические средства определяются видом информации, поступающей от прибора, и действиями оператора. Основная информация, поступающая от прибора,—визуальная (символьная, графическая, полутоновая, цветовая, штриховая и пр.). Дополнительная информация — звуковая и тактильная — применяется обычно в системах специального назначения. Вывод визуальной информации перечисленных типов можно произвести на дисплей или универсальный принтер/графопостроитель. Средства ввода информации в систему оператором — клавиатура, координатный рычаг (joystick) или координатный шар (trackball). Световое перо более характерно для систем автоматизированного проектирования, чем для измерительных приборов. Речевой ввод требует большого объема программного обеспечения и в микропроцессорных системах неупотребителен. Для простых диалоговых процедур с малым количеством альтернатив и вводимых параметров достаточно управления с помощью клавиатуры с фиксированными функциями клавиш. Усложнение процедур вызывает быстрый рост числа клавиш, для предотвращения этого на одной клавише совмещается ряд функций и вводится переключатель функций (как в клавишных калькуляторах). Введение программного переключения функций клавиш еще больше повышает гибкость системы и приводит к концепции «виртуального» прибора, т. е. прибора, у которого структура и функции управления программируются пользователем.
Наибольшие возможности появляются при управлении не одиночными клавишами, а их последовательным набором — словами специализированного входного языка прибора. Выходной язык —языксообщений прибора—в общем случае независим от входного.
Существуют специальные интерпретирующие языки для диалоговых процедур общего типа, как, например, БЕЙСИК, часто реализуемый в различных модификациях в измерительных и аналитических приборах. Однако для конкретных применений удобнее специализированные языки, учитывающие специфику применения и более близкие к языку неквалифицированного пользователя. О целесообразности специализированных языков свидетельствует большое число подобных разработок, как, например, язык Sirnpl [84], применяемый, в частности, в медицинских системах, язык QBE фирмы IBM [122] и др.
Обмен сообщениями оператора с прибором может производиться с помощью языка эталонных текстов или языка произвольных текстов. В микропроцессорных диалоговых системах чаще применяется язык эталонных текстов; при этом система анализирует принятое сообщение на совпадение с эталоном из заданного набора. Сообщение может также содержать эталон, тогда его можно выделить методом «скользящей маски». На основе решения о принятии эталонного сообщения производится переход к программному модулю, выполняющему соответствующее ответное действие прибора. С ростом возможностей прибора объем эталонных текстов быстро растет, занимая значительную часть программной памяти.
Для облегчения действий оператора широко применяются разновидности метода эталонных текстов, когда прибор формирует ряд эталонных текстов, а оператору предоставляется возможность выбора из них. Пример — метод табличного задания: прибор формирует таблицу с эталонными текстами и эталонными значениями вводимых параметров, а оператор модифицирует эту таблицу, выбирая эталоны с помощью маркеров или кодирующей клавиатуры. Для сокращения емкости памяти, занимаемой эталонными текстами, целесообразно их перекодирование с помощью дополнительного словаря: таким способом можно сэкономить около 50% емкости памяти.
Сложнее программное обеспечение, и соответственно больше возможности при применении языков произвольных текстов.
Применяя языки, порождаемые контекстно-свободными грамматиками, с помощью синтаксических методов анализа сообщения можно эффективно определить принадлежность сообщения к определенному классу. При этом используется универсальная программа синтаксического анализа, входным параметром котрой является порождающая грамматика. Таким образом программа пригодна для анализа сообщений различных языков при смене входного параметра. Использование подобного анализатора в измерительных приборах позволяет унифицировать программное обеспечение диалоговых процедур для приборов различного назначения с различными входными языками.
Доля таких работ процессора непрерывно растет, поэтому имеется тенденция к выделению специального процессора для управления диалогом.
