авторефераты диссертаций БЕСПЛАТНАЯ БИБЛИОТЕКА РОССИИ

КОНФЕРЕНЦИИ, КНИГИ, ПОСОБИЯ, НАУЧНЫЕ ИЗДАНИЯ

<< ГЛАВНАЯ
АГРОИНЖЕНЕРИЯ
АСТРОНОМИЯ
БЕЗОПАСНОСТЬ
БИОЛОГИЯ
ЗЕМЛЯ
ИНФОРМАТИКА
ИСКУССТВОВЕДЕНИЕ
ИСТОРИЯ
КУЛЬТУРОЛОГИЯ
МАШИНОСТРОЕНИЕ
МЕДИЦИНА
МЕТАЛЛУРГИЯ
МЕХАНИКА
ПЕДАГОГИКА
ПОЛИТИКА
ПРИБОРОСТРОЕНИЕ
ПРОДОВОЛЬСТВИЕ
ПСИХОЛОГИЯ
РАДИОТЕХНИКА
СЕЛЬСКОЕ ХОЗЯЙСТВО
СОЦИОЛОГИЯ
СТРОИТЕЛЬСТВО
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
ТРАНСПОРТ
ФАРМАЦЕВТИКА
ФИЗИКА
ФИЗИОЛОГИЯ
ФИЛОЛОГИЯ
ФИЛОСОФИЯ
ХИМИЯ
ЭКОНОМИКА
ЭЛЕКТРОТЕХНИКА
ЭНЕРГЕТИКА
ЮРИСПРУДЕНЦИЯ
ЯЗЫКОЗНАНИЕ
РАЗНОЕ
КОНТАКТЫ


Pages:   || 2 | 3 | 4 | 5 |
-- [ Страница 1 ] --

Министерство образования Российской Федерации

Государственное образовательное учреждение

высшего профессионального образования –

«Оренбургский государственный университет»

В.Н.Булатов

Элементы и узлы информационно-

управляющих систем

(Основы теории и синтеза)

Рекомендовано Ученым советом Государственного образовательного

учреждения высшего профессионального образования – «Оренбургский государственный университет» в качестве учебного пособия для студентов, обучающихся по программам высшего профессионального образования по специальности «Промышленная электроника»

Оренбург 2002 ББК 32.973.2Я7 Б 90 УДК 681.327 Рецензент доктор технических наук, профессор Н.А.Соловьев Булатов В.Н.

Б 90 Элементы и узлы информационных и управляющих систем (Основы теории и синтеза) : Учебное пособие. – Оренбург:

ГОУ ВПО ОГУ, 2002. - 200 с.

ISBN Учебное пособие разработано для преподавателей и студентов в рамках материала по дисциплине «Синтез информационных и управляющих систем». В учебном пособии рассмотрены структуры микропроцессорных систем измерения, контроля и управления для локальных и распределенных систем, приведен их анализ и основы синтеза.

Б –––––––––– ББК 32.973.2Я 6Л9- ISBN © БулатовВ.Н., © ГОУ ВПО ОГУ, Введение Прогресс в области вычислительной техники и радиоэлектроники связан с достижениями микроэлектроники в создании интегральных схем малой, средней, большой и сверхбольшой степени интеграции. Появление микропроцессорных БИС позволило из-за их дешевизны, малых габаритов, массы, мощности потребления и свойства программируемости функций решить проблему разработки малого числа БИС для большого числа применений, внедрить вычислительную технику в те области, в которых ранее она не использовалась.

Необходимость повышения технического уровня вычислительной техники, приборов и средств автоматизации измерений, контроля и управления, а также связи на основе новейших достижений микроэлектроники является одной из самых актуальных задач.

Мировой промышленностью освоены и выпускаются много типов микропроцессоров, благодаря которым обеспечены исключительные преимущества цифровым методам обработки информации. Однако существуют аналоговые сигналы, которые надо принимать, обрабатывать, хранить и выдавать пользователю.

Важное значение приобретает проблема связи аналоговых объектов с цифровыми управляющими машинами, в частности вопросы преобразований, нормализации сигналов, методы и средства передачи аналоговых сигналов по линиям связи при наличии помех и так далее.

Применение микропроцессоров и однокристальных микроЭВМ для сбора данных и управления технологическими процессами вызывает ряд проблем аналого-цифрового преобразования сигналов, которые должен решать пользователь.

Для обработки аналоговых и цифровых сигналов разработана большая номенклатура микросхем, среди которых можно отметить генераторы, усилители, аналого-цифровые и цифроаналоговые преобразователи, модуляторы, компараторы, переключатели тока и напряжения, элементы выборки и хранения, фильтры, вторичные источники питания, центральные процессорные элементы, устройства управления вводом-выводом, программируемые параллельные и последовательные интерфейсы, контроллеры прямого доступа к памяти, магистральные приемопередатчики, блоки микропрограммного управления, приоритетного прерывания, арифметические расширители, запоминающие устройства, многофункциональные синхронизирующие устройства, программируемые таймеры и тому подобное.

Большинство перечисленных схем и устройств являются функци ональными составными частями микропроцессорных комплектов, в значительной степени определяя архитектуру информационных и управляющих систем. Однако практически любая микроЭВМ, кроме основных функциональных БИС, содержит и значительное число микросхем малой и средней степени интеграции, особенно в периферийном оборудова нии, датчиках первичной информации, устройствах встроенного контроля и диагностики, устройствах отображения информации и так далее.

Получение количественной и качественной информации о функционирования сложных изделий — трудоемкий и длительный процесс, требующий усилий большого числа лиц для получения достоверной информации. Системы измерения и контроля на базе микроЭВМ обладают большими преимуществами в отношении стоимости измерения и контроля, уменьшения времени его проведения и обработки результатов, надежности, обеспечивают значительную гибкость, высокую компактность и модульную простоту, а также открывают широкие возможности для новых приложений, ранее требовавших использования дорогих специализированных ЭВМ.

В основу решения задачи автоматизированного измерения и контроля параметров технического состояния объектов положены следующие принципы: максимальная степень автоматизации процесса контроля и сведение к минимуму числа ручных операций, повышение достоверности результатов контроля, автоматическая выдача протокола результатов испы таний (диагностики);

высокая надежность системы, основанная на использовании встроенной микроЭВМ и модульной структуры;

максимальная простота и доступность программного обеспечения, благодаря которым система контроля может обслуживаться лицами, не являющимися специалистами в области вычислительной техники.

Настоящий курс в основном будет посвящен возможностям использования схем средней степени интеграции, большинство из которых можно рассматривать как многофункциональные. Излагаемый материал подкрепляется примерами применения отечественных микросхем для обработки аналоговых и цифровых сигналов, в ряде случаев дается расчет анализируемых схем.

1 Вводная часть 1.1 Задачи, решаемые информационно-управляющими системами Современные информационно-управляющие системы — крупнейший раздел технической кибернетики — дисциплины, изучающей общие закономерности процессов целесообразного управления, получения и преобразования информации в технических устройствах.

Подавляющую и наиболее важную часть этих систем составляет информационная техника. Она решает огромный круг задач, связанных главным образом со сбором, переработкой, передачей, хранением, поиском и выдачей разнообразной информации человеку.

В соответствии с основными функциями информационной техники выделяются следующие ее ветви:

- информационно-измерительная техника;

- вычислительная техника;

- техника передачи информации (связи);

- техника хранения и поиска информации.

Каждая из этих основных ветвей информационной техники имеет свои особенности, принципы построения технических устройств. В то же время они объединяются общими теоретическими основами.

Тем не менее, интересно и полезно рассмотреть подробнее разделы информационно-измерительной техники (ИИТ), совокупность которых позволяет получать количественно опытным путем определенную информацию о разнообразных объектах материального мира.

Основными процессами, позволяющими получить такую информацию, являются:

- обнаружение событий, - процесс счета, - измерение, - распознавание образов, - контроль, - техническая диагностика.

В ИИТ применяется узкое толкование этих терминов, вытекающее из того, что процессы измерения реализуются экспериментально, служат для получения количественной оценки состояния материального объекта.

Счет – это определение количества каких-либо событий или предметов;

в ИИТ относительно редко имеет самостоятельное значение и чаще входит составляющей операцией в процессы измерения, контроля и так далее.

Измерение — это нахождение значения физической величины опытным путем с помощью специальных технических средств. В процессе измерения получается численное отношение между измеряемой величиной и некоторым ее значением, принятым за единицу сравнения.

Распознавание образов связано с установлением соответствия между объектом и заданным образом. При опознании образ может быть задан в виде образцового изделия или в виде перечня определенных свойств и значений параметров (признаков) с указанием полей допуска.

Под контролем понимается установление соответствия между состоянием (свойством) объекта контроля и заданной нормой, определяющей качественно различные области его состояния. В результате контроля выдается суждение о состоянии объекта контроля. Нужно заметить, что в целом ряде практических приложений понятия контроля и распознавания образов совпадают.

Во многих случаях для восстановления нормальной работы объекта необходимо выявить элементы, послужившие причиной его неправильного функционирования. Такое направление развития методов и средств контроля работы технических устройств называется технической диагностикой.

1.2 Контроль как важнейшая составляющая ИИС Во всех перечисленных процессах, используемых в ИИТ, имеются общие черты. Все эти процессы обязательно включают восприятие техническими средствами исследуемых (измеряемых, контролируемых) величин, весьма часто с преобразованием в некоторые промежуточные величины, сравнение их опытным путем с известными величинами, с описаниями состояний или свойств объектов, формирование и выдачу результатов в виде именованных чисел, их отношений, суждений, основанных на количественных со отношениях.

Рассмотрим более пристально понятие контроля, в том числе – автоматизированного, занимающего весьма существенную часть в современных средствах ИИС. Как уже было отмечено, под контролем понимается процесс установления соответствия между состоянием объекта контроля и заданными нормами. В результате контроля выдается суждение о том, к какой из нормированных качественно различающихся областей относится рассматриваемое состояние объекта контроля.

В принципе, при контроле нет необходимости знать значения контролируемых величин. С этой точки зрения контроль является операцией сжатия информации, устранения ненужных в данном случае сведений об объекте контроля.

Контроль может быть осуществлен везде, где имеются установленные нормы. Нормы задаются самым разнообразным образом. Например, в учебном процессе они могут задаваться в виде объема конкретных знаний предусмотренных программой подготовки студентов;

в области промышленной электроники – множеством количественных значений, определяющих нормальное состояние электронных средств (ЭС).

В дальнейшем рассматривается лишь контроль, при котором описания норм заданы в количественном виде с помощью аналоговых и цифровых уставок, а результатом контроля является количественно определенное суждение о состоянии объекта контроля. Такой контроль широко применяется в современных системах с использованием ЭС.

Операции контроля могут выполняться как с участием человека, так и без его участия, то есть автоматически. Уровень автоматизации систем контроля может быть определен приближенно отношением объема операций, выполняемых ручным способом, к общему объему операций процесса контроля. Автоматизированными системами контроля называются обычно системы, у которых это отношение составляет не более 5%, у частично автоматизированных систем оно находится от 5 до 50%, у ручных превышает 50%.

Не следует считать, что автоматизация контроля экономически выгодна всегда. Она становится выгодной, как правило, по мере увеличения количества операций и объектов контроля и сокращения времени, отводимого на контроль. При проведении многочисленных однообразных проверок человек на определенном этапе не может справиться с большим потоком контрольной информации, увеличивается количество ошибок контроля, возникает необходимость в автоматизации операций контроля.

Автоматизация контроля совершенно необходима, когда участие человека в процессе контроля невозможно. Особо нужно подчеркнуть важность автоматизированного контроля для работы современных автоматизированных систем управления.

При наличии для одного контролируемого параметра двух или более уставок и определяемых ими зон допуска контролируемых величин такой контроль называют допусковым.

Нужно отметить безусловное родство процессов контроля и измерения, заключающееся в обязательном наличии операций сравнения входных или производных от них величин, которые получаются в результате измерительных преобразований. Более того, измерительное преобразование является, как правило, составной и основной частью системы контроля.

До недавнего прошлого арсенал средств измерения ограничивался неавтоматическими и автоматическими измерительными приборами, предназначенными для измерения одной величины или небольшой группы однородных величин, обычно не изменяющихся за цикл измерения.

1.3 Автоматизированные ИИС В последние годы, в первую очередь в связи с резкой интенсификацией и автоматизацией технологических процессов самого разного назначения (в том числе и при использовании электронных средств), а также с расширением фронта научных экспериментов, существенно изменились требования к средствам измерения и контроля.

Новые требования связаны, главным образом, с переходом к получению и использованию результатов не отдельных измерений, а потоков измерительной информации. Зачастую необходимо получать информацию о сотнях и тысячах однородных или разнородных измеряемых величин, часть из которых может быть недоступной для прямых измерений.

Как правило, получение всего объема измерительной информации должно выполняться за ограниченное время. Если эти функции возложить на человека, вооруженного лишь простейшими измерительными и вычислительными устройствами, то в силу физиологических ограничений он, даже при весьма значительной тренировке, не сможет их выполнять. Причем, в ряде случаев, из-за опасных условий эксперимента или вредности технологического процесса участие человека-оператора может быть вообще недопустимым.

Таким образом, на определенном этапе развития информационно измерительной техники появилась проблема создания новых средств, способных разгрузить человека от необходимости сбора и обработки интенсивных потоков измерительной информации.

Решение этой проблемы в области ИИТ привело к появлению нового класса информационно-измерительных систем (ИИС) – автоматизированных ИИС, предназначенных для автоматизированного сбора и обработки измерительной информации. В автоматизированных ИИС измеряется и контролируется большое количество величин и выполняется значительная обработка информации. В связи с тем, что проблемы автоматизации решаются посредством средств вычислительной техники, данный класс ИИС далее будем называть информационно-вычислительной системой (ИВС).

Подавляющее большинство ИВС базируется на использовании элементов современной электроники. Это во многом определяется наличием относительно хорошо разработанных методов и средств преобразования разнообразных контролируемых величин в электрические сигналы и удобством выполнения преобразований, передачи и обработки электрических сигналов. Поэтому большинство реализации ИВС основывается на электрическом принципе действия.

Уместно дать краткую историческую справку развития ИВС и указать основные области их применения.

Основная концепция ИВС как нового класса ИИС была сформулирована в начале 60-х годов. В основу концепции этого класса уже в то время была положена системная организация совместной автоматической работы средств получения, обработки и передачи количественной информации. Тогда были созданы ИВС, которые можно отнести к первому поколению таких систем.

Системы первого поколения характеризуются централизованным циклическим получением измерительной информации и обработкой ее в основном с помощью входящих в состав ИВС специализированных вычислительных устройств, использованием в качестве элементной базы дискретной полупроводниковой техники. Дальнейшая обработка информации при необходимости в большинстве случаев производилась вне ИВС, в универсальных ЭВМ, занятых обслуживанием и других источников информации. Однако сложные ИВС в то время имели в своем составе ЭВМ, выполняющие только задачи, стоящие перед этими системами.

ИВС второго поколения (70-е годы) характеризуются адресным сбором измерительной информации, гибкостью, способной к наращиванию, с обработкой информации с помощью ЭВМ, входящих в состав систем, и в меньшей степени с помощью специализированных вычислительных устройств, с использованием в качестве элементной базы микроэлектронных схем малой и средней степени интеграции.

Широкое введение ЭВМ в состав ИВС стало возможным после организации промышленного выпуска управляющих вычислительных машин и комплексов, а также малых ЭВМ с достаточными вычислительными и логическими возможностями, гибким программным управлением, приемлемыми габаритами, потребляемой энергией и стоимостью.

Улучшение многих характеристик ИВС было достигнуто благодаря использованию больших интегральных микросхем, микропроцессоров, микропроцессорных наборов (включая устройства памяти с большим объемом запоминаемой информации) и микроЭВМ.

Качественно новые возможности при проектировании, изготовлении и эксплуатации ИВС были получены при применении стандартных цифровых интерфейсов и промышленных функциональных блоков, совместимых между собой по информационным, метрологическим, энергетическим и конструктивным характеристикам. Применение в ИВС ЭВМ и стандартных цифровых интерфейсов привело к необходимости формального описания алгоритмов действия систем и к резкому возрастанию роли программного обеспечения систем.

Оказалось, что для цифровых централизованных ИВС с программным управлением можно организовать промышленный выпуск универсального цифрового ядра, в которое входят цифровые измерительные и вычислительные средства и стандартные устройства ввода и вывода цифровой информации.

В начале 80-х годов создается и начинает использоваться третье поколение ИВС, в котором более широкое применение получают системные измерительные преобразователи, позволяющие, подобно пиксельному изображению на мониторе, одновременно воспринимать целые поля исследуемых величин параметров, характеризующих состояние контролируемого объекта. Рассредоточение вычислительной мощности по различным уровням и блокам ИВС уменьшает потоки информации, сокращает общее время обработки, повышает надежность работы системы. В ИВС более широко осуществляется многофункциональная обработка измерительной информации благодаря рациональному сочетанию средств с жесткой структурой (аппаратная реализация) и гибкими перестраиваемыми структурами и программами работы. Создаются измерительные, контрольные и другие роботы, в связи с чем ИВС приобретают внутренние функции управления. В быстродействующих ИВС, работающих в реальном времени, объединяются процедуры измерения и обработки информации. Су щественно расширяется применение устройств памяти. Более широко используются выпускаемые промышленностью наборы функциональных устройств, объединяемых стандартными интерфейсами. Большое значение приобретают диалоговые режимы работы оператора с ИВС. В элементной базе резко увеличивается доля интегральных микросхем большой и сверхбольшой степени интеграции.

В настоящее время в состав ИВС входят микропроцессоры, малые ЭВМ и другие вычислительные устройства;

в некоторых ИВС измерительные и вычислительные процедуры выполняются одновременно и неразрывно (функциональные аналого-цифровые преобразователи и тому подобное).

В соответствии со сказанным в данном курсе рассматриваются в первую очередь структуры и алгоритмы функционирования ИВС и их частей:

аналого-цифровых подсистем, микроЭВМ, информационных каналов и тому подобное.

Кроме обработки информации, автоматизированные ИИС реализуют и некоторые функции управления, в связи с чем системы имеют полное название – информационно-управляющие вычислительные системы (ИУВС). Функции управления ИУВС можно разделить на три вида:

- функции управления объектом, связанные только с результатами контроля (например, произошел перегрев прибора – включить принудительное охлаждение);

- функции проверки (тестирования) и коррекции измерительно информационных каналов;

- функции управления системой отображения информации.

Следует заметить, что если структуру современных ИВС как класса ИИС можно представить достаточно общей функциональной схемой, то структура управляющих воздействий ИУВС достаточно индивидуальна и обусловлена особенностями объекта контроля.

1.4 Роль ИУВС в электронных системах Эффективность применения промышленной аппаратуры и аппаратуры научного назначения в значительной степени зависят от правильности функционирования электронных средств, входящих в их состав. Под правильностью функционирования в первую очередь понимается соответствие режимов функционирования заданным уставкам и программам режимов ЭС.

Системы контроля и управления ЭС базируются на измерительной информации, источников которой на одном объекте ЭС может составлять свыше 500 единиц. Особенностью систем измерения, контроля и управления ЭС является то, что они являются встроенными в структуру устройств самого различного назначения и являются их неотъемлемой частью. Для характеристики задач, ИУВС ЭС можно разделить на две группы: группа систем измерения и контроля и группа систем управления по результатам измерения и контроля.

Встроенная аппаратура автоматического измерения и контроля ЭС реализует такие важные функции, как контроль ЭС перед началом и в процессе работы и автоматический поиск неисправностей в аппаратуре, охваченной, как правило, системой диагностирования.

В целях диагностики специальной тестовой аппаратурой вырабатываются различные имитационные сигналы.

В результате диагностирования выдается условный номер неисправного блока и номера возможных неисправных узлов в данном блоке. В более развитых системах диагностики выдается также код неисправности (например, обрыв – 01, короткое замыкание - 02, отклонение значения питающего напряжения от номинала в сторону уменьшения – 03 и так далее).

Функции управления ЭС, связанные с результатами измерения и контроля, предназначены для централизованного включения и управления режимами работы аппаратуры, сопряжения с центром АСУ по управлению режимами аппаратуры и выдачи в центр АСУ информации о состоянии аппаратуры.

1.5 Общая характеристика дисциплины В рамках данного курса автор сделал попытку систематизировать имеющиеся в литературе рекомендации по проектированию и эксплуатации микропроцессорных ИУВС, поясняя их примерами из опыта собственных разработок. В частности, предпринята попытка изложить методику составления технических требований на разработку узлов ИУВС при различных формах исходного задания;

рассмотрены архитектурные особенности и интерфейсы микропроцессорного узла ИУВС и методика его проектирования;

описываются структурные и схемотехнические особенности построения узлов ИУВС на базе микропроцессорного комплекта серии 1816.

Учитывая трудность выполнения решаемой задачи из-за многообразия подходов к созданию ИУВС в силу принципиальной зависимости ее архитектуры от класса решаемых ею задач, мы должны понимать, что она в общем виде не решаема и может служить лишь введением в проблему.

Вместе с тем, изучение частных технических решений ИУВС позволяет судить о современном состоянии в области ИУВС и в целом.

1.6 Вопросы для самопроверки 1.6.1 Какие разделы включает в себя информационная техника?

1.6.2 Из каких разделов состоит информационно-измерительная техника?

1.6.3 Дайте характеристику процессу счета.

1.6.4 Дайте характеристику процессу измерения.

1.6.5 Дайте характеристику процессу распознаванию образов.

1.6.6 Дайте характеристику процессу контроля.

1.6.7 Дайте характеристику процессу технической диагностики.

1.6.8 Что такое – уставка?

1.6.9 Охарактеризуйте первое поколение ИУВС.

1.6.10 Охарактеризуйте второе поколение ИУВС.

1.6.11 Охарактеризуйте третье поколение ИУВС.

1.6.12 В чем заключаются функции управления ИУВС?

1.6.13 Охарактеризуйте функции ИУВС в электронных системах.

2 Структура и функциональные задачи ИУВС В рамках данного материала приводятся общие требования к ИУВС, рассматриваются классификация и примеры архитектуры типовых ИУВС и их структурных элементов;

приводятся задачи, решаемые ИУВС;

приводятся краткая характеристика входной информации и выходных воздействий.

Превалирующую долю в автоматизированных системах измерения, контроля и управления составляет автоматизированная система сбора и обработки информации об управляемом объекте. Прежде чем начать изучение названных выше тем, необходимо уточнить (конкретизировать) понятие «Информационно-вычислительная система» (ИВС).

Информационно-вычислительную систему (ИВС) можно рассматривать как подкласс средств информационной техники — информационно измерительных систем (ИИС). В подобных системах необходимая информация об объекте контроля (ОК) получается с помощью системы измерительных датчиков и датчиков состояний (концевых датчиков), установленных на нем, а обработка этой информации производится с помощью вычислительных средств.

По мере развития цифровой вычислительной техники в ИВС происходила унификация ряда измерительных и вычислительных процедур: после аналого-цифрового преобразования результаты измерений вводились в ЭВМ, где программным путем выполнялись операции обработки, необходимые для получения результатов измерения и контроля состояния объектов. Наиболее широкое развитие получили ИВС с включенной в их состав микро-ЭВМ с открытой архитектурой (способной к вариации и наращиванию аппаратных средств), появившиеся в конце 80-х годов. Наличие микро-ЭВМ позволило перейти от выполнения ряда операций измерения и обработки информации аппаратурным путем по жесткой программе к их выполнению по изменяющимся программам, к варьированию в процессе работы программным путем структуры и состава работающих функциональных устройств системы. На современном этапе развития ИУВС свойства подобных микро-ЭВМ определяют подавляющую часть качественных и количественных характеристик ИУВС.

2.1 Классификация и основные характеристики ИУВС При выборе классификационных признаков ИУВС целесообразно отвлечься от многочисленных особенностей, определяемых узким назначением систем и их конструктивным исполнением, и сосредоточиться на наиболее общих, системных отличительных особенностях. В то же время число классификационных признаков должно быть ограниченным, но достаточным для характеристики основных разновидностей ИУВС.

Необходимо отметить, что, несмотря на важность знания метрологических характеристик ИУВС, употребление их в качестве классификационных признаков связано с существенными трудностями. Действительно, все метрологические характеристики (погрешность, быстродействие и другие) являются количественными. Видимо, сопоставление ИУВС по количественным характеристикам эффективно только для ИУВС с одинаковым, сравнительно узким функциональным назначением.

Предлагаемая классификация построена по принципу разделения области, характеризуемой каждым выбранным признаком, на две непересекающиеся подобласти. При этом предполагается, что в реальных системах могут быть их комбинации. Так, например, реально существуют ИУВС не только с по следовательным или параллельным, но и со смешанным выполнением операций получения информации.

В обобщенной структурной схеме ИУВС (рисунок 2.1) показаны основные блоки ИУВС и их взаимосвязь. Но нужно иметь в виду, что для реализации одних и тех же функций могут быть созданы структурные элементы системы, существенно различающиеся как по их внутреннему построению, так и по алгоритму работы. Поэтому общую классификацию ИУВС целесообразно произвести по наиболее общим принципам их построения (таблица 2.1).

Таблица 2.1 – Классификация принципов построения ИУВС Классификационный признак Бинарные отличия 1. Наличие специального канала связи Отсутствует Имеется 2. Порядок выполнения операций Последовательный Параллельный получения информации 3. Агрегатирование состава системы Агрегатированный Неагрегатированный 4. Использование стандартного интерфейса Не используется Используется 5. Наличие программно-управляемых вы- Отсутствуют Имеются числительных устройств (микропроцессо ры, микроЭВМ и прочее) 6. Наличие контуров информационной об- Разомкнутые Компенсационные ратной связи системы (одно- и много контурные системы) 7. Изменение скоростей получения и вы- Без изменения С изменением дачи информации (в реальном мас- скоростей штбе времени) 8. Сигналы, используемые в ИУВС Аналоговые Кодоимпульсные 9. Структурная и информационная избы- Безызбыточные Избыточные точность системы системы 10. Адаптация к исследуемым величинам Неадаптивные Адаптивные системы системы Сделаем краткие пояснения к классификационным признакам этой таблицы (таблица 2.1).

Наличие специального канала связи, обеспечивающего передачу качественной информации от объекта, находящегося на большом расстоянии, приводит к необходимости решения ряда специфических вопросов. В соответствии с этим нужно выделить специальный класс телеметрических (дистанционных) систем — ИУВС дальнего действия.

Выполнение последовательно или параллельно операций получения информации во многом определяет количество элементов системы, быстродействие, надежность и тому подобное. Измерительная ин формационная система может состоять из частей, в которых после довательность операций получения или преобразования информации может быть различной. Естественно, в системе для перехода от параллельного к последовательному выполнению преобразований информации и наоборот должны использоваться соответствующие согласующие устройства.

Использование пригодных для совместной работы функциональных блоков стандартных агрегатных комплексов и стандартных цифровых интерфейсов существенно определяет многие характеристики ИУВС.

Наличие в составе узлов (модулей) ИУВС программно-управляемых цифровых вычислительных средств (микропроцессоров, микроЭВМ и микроконтроллеров) является очень важным классификационным признаком.

Система, содержащая такие средства, обладает определенной универсаль ностью, так как при соответствующем программном обеспечении может (при ограниченном быстродействии) выполнять функции систем различного назначения.

В ИУВС можно выделить универсальное ядро, в которое входят часть аналоговых преобразователей (например, масштабные преобразователи, аналоговые коммутаторы), аналого-цифровые преобразователи, часть цифровых преобразователей (цифровые коммутаторы и устройства памяти), ЭВМ, набор устройств отображения и регистрации информации, средства ин терфейса и устройства, формирующие воздействия на исследуемый' объект.

Это ядро ИУВС часто называют измерительно-вычислительным комплексом (ИВК).

Измерительно-вычислительные комплексы при известных условиях могут создаваться на базе специализированных цифровых вычислительных машин (СЦВМ), входящих в состав технологических комплексов специального назначения.

Наличие контура обратной информационной связи позволяет организовать компенсационные методы измерения, позволяющие получить более высокие точностные характеристики.

Изменение скоростей получения и выдачи информации в ИУВС возможно главным образом при использовании запоминающих устройств (ЗУ). Оно может быть, например, применено для быстрого запоминания значений исследуемых величин и медленной выдачи информации и наоборот.

Введение адаптации ИУВС к исследуемым величинам, структурной и информационной избыточности в целях повышения надежности, помехоустойчивости, точности, гибкости работы и тому подобное типично для системотехники. Можно предполагать, что дальнейшее развитие ИУВС во многом будет зависеть от решения этих вопросов.

Приведенная бинарная классификация по десяти признакам позволяет различать 210=1024 разновидностей ИУВС по принципам построения.

2.2 Типовая схема и характеристика решаемых задач ИУВС По существу современные ИУВС в первую очередь предназначены для контроля состояния объекта на основе измерительной информации, представленной совокупностью значений и состояний технологических параметров. Отличительные признаки современных ИУВС:

1) ограниченный набор четко сформулированных задач;

2) оптимизация структуры ИУВС для конкретного применения;

3) работа в реальном масштабе времени, то есть обеспечение минимального времени реакции на изменение внешних условий;

4) высокие требования по надежности с учетом большой продолжи тельности непрерывной работы;

5) сложные условия эксплуатации;

6) обеспечение автоматического режима работы или режима с участием оператора как элемента системы.

Именно эти качества характеризуют процесс синтеза современных ИУВС, определяют их структуру и набор функциональных задач.

2.2.1 Типовая структура ИУВС В общем виде структура типового узла (модуля) ИУВС представлена на рисунке 2.1. Здесь:

Рисунок 2.1 – Макроструктурная схема ИУВС ОУ — объект управления;

содержит датчики входной информации ДВИ;

УСО - устройство сопряжения с объектом и микроЭВМ;

ПУО - пульт управления оператора;

СОИ - система отображения информации;

СТРУКТУРНЫЕ связи (стрелки) - устройства передачи информации между элементами системы и сетью (управляющей вычислительной сетью – ЛВС).

Ядром ИУВС, реализующим процесс переработки информации и формирования воздействий на объект управления ОУ, является микроЭВМ, реализованная в современных системах ИУВС, в зависимости от сложности задач, на однокристальной ЭВМ (ОЭВМ) или микропроцессоре (МП).

Применение микроЭВМ способствует:

- повышению надежности;

- снижению стоимости системы;

- сокращению сроков разработки аппаратных средств и программного обеспечения;

- быстрой адаптации к изменениям требований заказчика в процессе разработки системы и в период ее модернизации;

- более простому осуществлению функций распределенного, децентрализованного управления;

- обеспечению модульного принципа построения системы.

Самой сложной связкой является связка ДВИУСО, которая по существу есть система предварительной обработки данных – СОД. В общем случае, исходя из требования ввода информации в микроЭВМ (например, на базе МП), она должна содержать: группу датчиков первичной информации, размещенных в непосредственной близости от объекта управления, контроля или измерения, блок преобразователей аналоговых сигналов датчика в цифровые коды (АЦП), цифровые и аналоговые коммутаторы, аналоговые вычислительные устройства, цифровые и аналоговые каналы связи, блок преобразователей цифровых сигналов в аналоговые (ЦАП), цифровые ре гистрирующие устройства.

Различные требования по стоимостным и техническим характеристикам, предъявляемые к СОД, определяют возможность вариаций структуры СОД на основе выбора метода обработки сигналов.

На рисунке 2.2-а показана структура, реализующая принцип параллельной обработки аналоговых сигналов, поступающих от датчиков СОД. Данная структура позволяет обеспечить максимальную производительность аппаратуры всех каналов систем СОД (из-за независимости обработки каждого сигнала) и высокое качество преобразования сигналов вследствие возможности системы по обеспечению требуемого уровня нормализации сигнала на входе АЦП в каждом канале.

Предельное количество каналов системы СОД в данном случае ограничено допустимым значением динамической погрешности преобразования i-го параметра, то есть:

Nц xi доп / [(dxi /dt)max tк], (2.1) где Nц — предельно допустимое количество цифровых каналов пре образования системы СОД;

xi доп — допустимое значение динамической погрешности i-го параметра;

(dxi/dt)max — максимальное значение производной i-го параметра в диапазоне преобразования;

tк — период коммутации.

Д — датчик;

СУ — согласующее устройство;

СН — схема нормализации;

ФП — функциональный преобразователь;

АЦП — аналого-цифровой преобразователь;

ЦМ — цифровой мультиплексор;

В/Х — схема выборки — хранения;

AM — аналоговый мультиплексор;

УУ — устройства управления.

Рисунок 2.2 – Структура системы СОД с параллельными цифровыми (а) и аналоговыми (б) выходами;

с последовательными аналоговыми (в) и с последовательными и параллельными аналоговыми (г) выходами Независимость отдельных ветвей дает возможность просто (в структурном смысле) реализовать необходимые функциональные преобразования аналоговых сигналов. Большое преимущество такой системы заключается в устранении ошибок, возникающих при коммутации и выборке — хранении аналоговых сигналов, вносящих основной вклад в суммарную погрешность преобразования. Очень важно то, что эта структура позволяет значительно повысить помехозащищенность системы на основе использования цифровых каналов передачи данных на вход ЭВМ, если обеспечить преобразования сигналов непосредственно на выходе датчиков. Такой вариант построения системы сбора данных имеет большое будущее, однако на современном этапе развития микросхемотехники при его реализации имеет место более высокая стоимость СОД вследствие сравнительно высокой стоимости интегральных схем АЦП.

Другие варианты построения структуры системы СОД основаны на принципе последовательной обработки аналоговых сигналов и перенесении мультиплексирования из цифровой в аналоговую область, а также применения аналоговых схем выборки — хранения для фиксации аналоговых сигналов на входе АЦП. Это дает возможность использовать только один АЦП независимо от числа аналоговых входов, предельное количество которых можно определить из выражения Nа xiдоп / [(dxi /dt)max (tк+ tп)], (2.2) где Nа — предельно допустимое количество аналоговых каналов пре образования СОД;

ta—период цикла преобразования.

Остальные обозначения соответствуют (2.1).

Высокие технические характеристики свойственны структуре, приведенной на рисунке 2.2б, хорошее качество преобразования обеспечено теми же функциональными блоками, которые были включены в состав структуры, приведенной на рисунке 2.2а. Очевидно, что производительность системы сбора данных, построенной по структуре, изображенной на рисунке 2.2б, находится в прямой зависимости от быстродействия АЦП и ограничена его динамическими параметрами, поэтому в подобных системах необходимо применять АЦП с максимальным быстродействием. Применение дополнительных элементов для обработки аналоговых сигналов мультиплексоров, схем выборки — хранения ухудшает точностные характеристики системы в целом.

Практически идентичными характеристиками по сравнению со структурой, изображенной на рисунке 2.2б, обладает СОД со структурной схемой, изображенной на рисунке 2.2в.

Наиболее простой, но обеспечивающей относительно низкое качество преобразования, является СОД, структурная схема которой представлена на рисунке 2.2г. Она хороша при высоких уровнях и полной идентичности сигналов с датчиков.

2.2.2 ХАРАКТЕРИСТИКА РЕШАЕМЫХ ЗАДАЧ ИУВС С учетом приведенной структуры модуля ИУВС, типовые задачи, решаемые ИУВС, классифицируются следующим образом:

1) ввод и предварительная обработка входной информации в УСО;

2) обработка входной информации в микроЭВМ;

3) решение основных функциональных задач и выработка управляющих воздействий в микроЭВМ;

4) диагностирование ИУВС;

5) вывод управляющих воздействий;

6) обмен информацией через ЛВС.

2.2.2.1 ВВОД И ПРЕДВАРИТЕЛЬНАЯ ОБРАБОТКА ИНФОРМАЦИИ В УСТРОЙСТВЕ СОПРЯЖЕНИЯ С ОБЪЕКТОМ При решении задач этого класса основными целями обработки входной информации в УСО являются предварительная фильтрация входных сигналов и приведение входной информации к стандартной для микроЭВМ ИУВС форме.

Преобразование входной информации и сигналов, заданных в виде напряжений, токов, углов поворотов валов и так далее, осуществляется в большинстве случаев стандартными средствами.

2.2.2.2 ОБРАБОТКА ВХОДНОЙ ИНФОРМАЦИИ В МИКРОЭВМ Этот класс задач, решаемых ИУВС, представляет собой этап обработки информации, связанный с контролем правильности приема входной информации;

сглаживанием (фильтрацией) входной информации для выявления полезного сигнала на фоне помех.

Для сглаживания входная информация, описывающая состояние объекта управления, поступает в микроЭВМ в виде дискретных или решетчатых функций. Дискретная функция — функция f(t), получившаяся в результате выборки в моменты времени t=nTo (где То— шаг дискретизации;

п — натуральный ряд чисел) данных с датчика входной информации. Таким образом, в микроЭВМ ИУВС должны быть реализованы алгоритмы сглаживания дискретных функций, искаженных помехами, которые обусловлены случайными ошибками измерения. Реализация алгоритмов сглаживания сводится к нахождению такой функции F(t), которая дает наилучшее приближение к заданной. Вид функции F(t) зависит от характера изменения во времени параметров состояния объекта управления.

Для широкого класса типов объектов управления в качестве сглаживающей функции выбирается полином s-й степени:

F(t) = а0+а1t+a2t2+…asts, (2.3) где ai — коэффициенты, полученные для выбранного типа интерполяции (Лагранжа, Ньютона, Эверетта, Стирлинга, Бесселя, Гаусса, сплайн функции).

Значение количества фиксированных выборок N, используемых для интерполяции, связано с динамикой изменения состояния объекта управления. При большом N увеличивается наблюдательное время Т=NTo, при малом N увеличивается ошибка сглаживания. Таким образом, при выборе алгоритма сглаживания ищется компромисс между допустимой ошибкой сглаживания и требуемой реакцией ИУВС на изменение состояния объекта.

2.2.2.3 РЕШЕНИЕ ОСНОВНЫХ ФУНКЦИОНАЛЬНЫХ ЗАДАЧ И ВЫ РАБОТКА УПРАВЛЯЮЩИХ ВОЗДЕЙСТВИЙ В МИКРОЭВМ Этот класс задач, решаемых ИУВС, наиболее объемный. Он включает в себя следующие независимые программно-логические блоки, управляемые супервизором (главным программным диспетчером):

- распределение ресурсов ИУВС;

- выбор источников и потребителей информации;

- прогнозирование изменения состояния объекта контроля по его характеристикам и измеренным параметрам и выработки управляющих воздействий;

- информационный обмен в ЛВС;

- взаимодействие с оператором, в том числе – вывод информации;

- автоматическое слежение и адаптация системы к изменяющимся условиям.

По содержанию решения этих задач их можно разделить на два типа функциональных задач.

Тип I. К этому типу задач относится задача преобразования координат системы измерений в систему координат исполнительных элементов, так как в силу конструктивных и технологических ограничений пространственное положение датчиков входной информации и исполнительных элементов, оказывающих непосредственное воздействие на объект управления, различно.

Необходимость в пересчете, преобразовании (масштабировании) входных данных вызывается также невозможностью непосредственного измерения какого-либо параметра. В этом случае значение можно оценить косвенно по измеряемым значениям 1, 2, …,n, при условии существования возможности однозначного выражения в виде =f(1, 2, …,n). Например, для определения влажности на объекте необходимы две измеряемых температуры: температура tc сухого и температура tв влажного термометров.

Тогда влажность можно вычислить по известной формуле: С=km(tc- tв), где km – коэффициент перерасчета (масштаба).

Тип II. Этот тип задач наиболее представителен и включает в себя задачи:

а) прогнозирования;

б) функционального преобразования;

в) логического управления;

г) взаимодействия оператора с ИУВС.

Приведенное разделение является условным, но охватывает значительный объем встречающихся на практике задач.

Характерными задачами прогнозирования являются задачи управления технологическими процессами. Суть решения задачи заключается в определении динамических параметров (производных), характеризующих объект управления, экстраполяция функции поведения объекта по заданному параметру.

Для решения задач подобного типа используют различные итерационные методы. Однако при построении специализированных ИУВС целесообразным является применение не традиционных, а применительно к конкретной задаче конкретных способов решения.

В ИУВС особое место занимают задачи функционального преобразования.

Необходимость реализации этих задач вызывается:

- сложностью выражений, полученных аналитическим путем, и, как следствие, трудностями при их реализации в микроЭВМ ИУВС;

- экспериментальным характером получения функциональных за висимостей.

Как в первом, так и во втором случаях основными способами представления функциональных зависимостей являются табличный способ с интерполяцией и способ аппроксимирующих многочленов. Выбор способа интерполяции обусловлен характером функциональной зависимости и допустимой ошибкой получения функции. Наиболее часто используются линейные и квадратичные формулы с постоянным шагом интерполяции.

Аппроксимация производится по экспериментально полученным или заданным в виде таблиц или графиков функциональным зависимостям.

Степень аппроксимирующего многочлена определяется на этапе проектирования ИУВС экспериментально, исходя из заданной погрешности.

Решение большого количества задач в микроЭВМ ИУВС связано с логическим управлением состояниями объекта. Наиболее часто встречаются ИУВС, относящиеся к категории систем управления с памятью, в которых набор выходных сигналов, вырабатываемый в некоторый отрезок времени, зависит не только от входных сигналов, поступивших в тот же момент, но и от сигналов, принятых ранее.

Иначе: совокупность управляющих сигналов, вырабатываемых ИУВС, определяется не только входными сигналами, но и внутренними состояниями автомата. Соответственно, управляющие воздействия могут быть выработаны в соответствии с системой функций выходов и переходов автомата.

Таким образом, в микроЭВМ ИУВС должна быть программно реализована адекватная модель реального объекта управления.

Задачи взаимодействия оператора с ИУВС разделяются на задачи:

- выработки информационных сообщений о состоянии объекта управления, ИУВС и о режиме работы;

- взаимодействия с оператором как элементом системы автоматического регулирования.

При решении первой группы задач вырабатываются информационные сообщения, непосредственно не влияющие на взаимодействие ИУВС с объектом управления, но дающие оператору дополнительные данные о характеристиках процесса управления. Например, при выводе станции на рабочий режим в зимнее время осуществляется автоматическое изменение температуры нагревательных элементов, однако при этом оператору могут выдаваться сообщения о времени окончания процесса, о температуре в данный момент времени.

Используемые в ИУВС алгоритмы для формирования информационных сообщений не требуют, как правило, высокой точности реализации, и допустимое время их выработки не является определяющим для системы в целом.

При решении второй группы – при реализации взаимодействия ИУВС с оператором как элементом системы автоматического регулирования – динамика оператора в ряде случаев может быть описана в виде передаточной функции W(p) =ko e-p/(1+pTo), (2.4) где ko,, То — соответствующие параметры оператора, полученные экспериментальным путем.

2.2.2.4 ДИАГНОСТИРОВАНИЕ ИУВС Задачи этого класса в рассматриваемых ИУВС являются очень специфическими и строго индивидуальными. Главная их цель:

- обнаружение внезапного отказа;

- обнаружение отказавшего узла (блока конструкции с указанием номера блока).

2.2.2.5 ВЫВОД УПРАВЛЯЮЩИХ ВОЗДЕЙСТВИЙ Задачи вывода управляющих воздействий включают в себя выполнение следующих основных процедур:

- упорядочение, сортировка в микроЭВМ ИУВС информации, подлежащей передаче на объект управления;

- кодирование информации;

- программное формирование посылок информации в соответствии с протоколом обмена между ИУВС и объектом управления;

- формирование сигналов по форме и мощности в соответствии с требованиями исполнительных элементов объекта управления.

2.2.2.6 ОБМЕН ИНФОРМАЦИЕЙ ЧЕРЕЗ ЛВС Задачи обмена информации через ЛВС разделяются на три типа:

- программная реализация протокола обмена данными между ИУВС и абонентом ЛВС;

- прием и обработка команд управления режимами узла ИУВС от управляющей ЭВМ или оператора центрального пункта контроля и управления объектами технологического комплекса;

- выдача требуемой информации в адрес управляющей ЭВМ или оператору центрального пункта контроля и управления объектами технологического комплекса по разовому адресному запросу или в соответствии заданным временным отсчетам.

2.3 Характеристика входных сигналов и выходных воздействий 2.3.1 ФОРМЫ ПРЕДСТАВЛЕНИЯ ВХОДНОЙ ИНФОРМАЦИИ Многообразие форм задания алгоритмов работы ИУВС, многообразие задач, решаемых ИУВС, широта номенклатуры датчиков входной (первичной) информации приводят к тому, что входная информация может быть представлена в следующих формах:

- цифровой (параллельный n-разрядный двоичный код, последовательный двоично-десятичный код и так далее);

- аналоговой (амплитуда переменного тока или напряжения, фаза или частота колебаний, значение тока и тому подобное);

- в виде импульсных и изменяющихся скачкообразно (релейных) сигналов.

Информация в цифровой форме вводится в ИУВС, как правило, по какому либо стандартному последовательному или параллельному интерфейсу, которые будут рассмотрены в рамках следующих тем. Поэтому вопросы подключения датчиков цифровой информации к средствам вычислительной техники решаются унифицировано. Однако разработчику ИУВС при ее проектировании необходимо уточнить следующие данные об информации, вводимой в систему в цифровой форме:


1) разрядность ri входной информации по каждому i–му сигналу;

2) цену младшего разряда для каждого входного сигнала (МЗРi);

3) диапазон представления сигналов xnax и xnin ;

4) первую, а иногда и вторую производные сигналов;

5) количество достоверных разрядов rдi,;

6) закон изменения шумов и его параметры;

7) скорость передачи информации;

8) территориальную удаленность датчика входной информации от ИУВС.

Информация в аналоговой форме, вводимая с датчиков и задатчиков, как правило, представляется в виде медленно меняющихся напряжений постоянного тока, модулированного по амплитуде и фазе синусоидального напряжения, импульсов напряжения или их последовательности.

Информация в последних случаях кодируется длительностью, амплитудой, площадью импульса или периодом следования импульсов.

При проектировании ИУВС в случае аналогового представления информации необходимо знать:

1) минимальное xmin и максимальное xmax значения величины, кодируемой аналоговым сигналом Ах, коэффициент пропорциональности (масштаба) Кх= Ах /х;

2) вид аналогового сигнала (медленно меняющееся напряжение, синусоидальное напряжение, импульсная последовательность);

3) полосу частот входного сигнала Fx, и полосу частот аддитивных шумов Fш, маскирующих информационный сигнал;

4) закон изменения шумов и его параметры (максимальное значение шумов Aщ, среднеквадратичное отклонение щ);

5) точность представления входной информации, характеризуемой либо абсолютной х=х—хa, либо относительной x=х/xmax (приведенной) погрешностью;

6) максимальную скорость изменения аналогового сигнала vx ;

7) параметры, определяющие особенности подключения датчика к ИУВС, например, выходной импеданс датчика или требуемый входной импеданс канала ввода информации в ИУВС.

Информация в виде релейных сигналов поступает в ИУВС, как правило, по схемам, примеры которых приведены на рисунке 2.2а, с исключением структурных элементов СН, ФП, АЦП. Для подобного типа датчиков о входной информации необходимо знать:

1) принадлежность каждого датчика к какой-либо функциональной группе (к системе стабилизации объекта управления, к системе управления манипулятором и так далее);

2) максимальные и минимальные частоты включения каждого датчика и время нахождения датчика во включенном (выключенном) состоянии;

3) максимально допустимое время «дребезга» контактов каждого датчика.

Формулируя требования на разработку ИУВС, необходимо уточнить вышеуказанные параметры всех входных сигналов и систематизировать их.

2.3.2 ФОРМЫ ПРЕДСТАВЛЕНИЯ ВЫХОДНОЙ ВОЗДЕЙСТВИЙ Выходные сигналы ИУВС могут быть также представлены либо в цифровой, либо в аналоговой форме, либо в виде релейных сигналов и предназначены:

- для управления элементами объекта контроля;

- для управления элементами системы отображения информации (СОИ) о состоянии объекта контроля.

Все требования, предъявляемые к выходным воздействиям, целиком определяются параметрами исполнительных элементов объекта контроля и СОИ (разрядность цифровой информации, вид кодирования, ток, напряжение, мощность, интенсивность и тому подобное), то есть являются строго индивидуальными.

В заключение необходимо заметить, что используемые отечественные технические средства и элементная база в системах ИУВС отстают от современных зарубежных технических образцов, выпускаемых серийно, по степени интеграции, но не уступают, а иногда и значительно превосходят их по надежности. Это объективный фактор, и он обусловлен в первую очередь вопросами надежности, которые требуют длительного промежутка времени для исследований и испытаний опытных и промышленных образцов ИУВС.

Вместе с тем, чтобы прогнозировать принципы построения ИУВС в промышленных системах в ближайшие годы, очень полезно ознакомиться с современными ИУВС, используемыми в ряде интенсивно развивающихся промышленных отраслей: газовой, нефтяной, энергетике.

2.4 Вопросы для самопроверки 2.4.1 В чем преимущество микро-ЭВМ с открытой архитектурой?

2.4.2 По каким общим признакам классифицируются ИУВС?

2.4.3 Дайте характеристику функциям ввода и предварительной обработки входной информации в ИУВС.

2.4.4 Дайте характеристику задачам обработки входной информации в микроЭВМ.

2.4.5 Назовите состав основных функциональных задач в микроЭВМ.

2.4.6 В чем заключается диагностирование ИУВС?

2.4.7 Дайте характеристику функциям управляющих воздействий.

2.4.8 Дайте характеристику функциям обмена информацией через ЛВС.

2.4.9 Дайте характеристику функциональным задачам II типа.

2.4.10 Какие параметры должны указываться при проектировании ИУВС в случае аналогового представления информации?

2.4.10 Какие параметры должны указываться при проектировании ИУВС в случае дискретного представления информации?

2.4.11 Как учитываются параметры оператора как элемента УСО?

3 Структуры микропроцессорных ИУВС 3.1 Характеристика микропроцессорных ИУВС Дальнейшее развитие микропроцессорной техники, в особенности появление однокристальных ЭВМ (ОЭВМ) и микроконтроллеров с достаточно высокой производительностью и большим объемом оперативной памяти, позволило перейти к созданию почти полностью автономных систем сбора и обработки измерительной информации на базе микроЭВМ, выполненной в виде компактной конструкции. При этом сама система стала значительно проще и производительнее, надежнее и дешевле, так как существенно уменьшились материальные и временные затраты, связанные с программными и аппаратурными средствами связи с центральным обра батывающим пунктом (центром управления).

3.1.1 ХАРАКТЕРИСТИКА МИКРОПРОЦЕССОРНЫХ СРЕДСТВ ИУВС Различными фирмами, как зарубежными, так и отечественными выпу скаются различные модули, с помощью которых можно собрать автоматизированные системы контроля и управления самого различного назначения. Основные принципы построения и проектирования микропроцессорных (МП) систем контроля далее будут рассмотрены на примерах использования микроЭВМ, созданной на основе ОЭВМ 1816ВЕ и выпускаемых к ней периферийных устройств. Но прежде всего необходимо ознакомиться с историей развития микропроцессорных ИУВС, которая, несмотря на короткий отрезок времени, весьма насыщена.

В 80-х годах отечественная промышленность выпускала микроЭВМ, которые с успехом работают в автоматизированных системах контроля:

«Электроника С-5», «Электроника-60», «Электроника МС 1201.01». Две последние модели микроЭВМ программно совместимы с рядом микро- и мини-ЭВМ, получивших широкое распространение в это же время как России, так и за рубежом. К семейству отечественных мини-ЭВМ данного типа относятся «Электроника 100-25», «Электроника-79», а зарубежных — мини-ЭВМ ряда PDP-11 и микроЭВМ LSI-11 (США). Характерной особенностью указанных ЭВМ является наличие общей магистрали, служащей для связи всех устройств, входящих в систему. Такая архитектура называется открытой. Подобно тому, как для 60-х годов стала образцовой архитектура ЭВМ IBM/360, для 70-х и 80-х годов для мини- и микроЭВМ стала образцовой архитектура PDP-11. Популярности ЭВМ PDP- способствовал также широкий диапазон разработанного и развивающегося математического обеспечения.

В настоящее время тенденция создания микроЭВМ с общей магистралью полностью закрепилась, вытеснив все другие идеологии архитектурных построений микроЭВМ. Изменилась лишь элементная база: на смену микропроцессорам в ИУВС приходят более интегрированные МП и однокристальные ЭВМ (ОЭВМ). Зарубежные образцы МП: i80486, i80586, i80586-II, i80586-III (США);

образцы ОЭВМ: MCS-48, MCS-51, MCS-196, MCS-296 (Intel, США);

образцы микроконтроллеров: PIC17C4x, PIC17C (MicroChip, США). Отечественные ОЭВМ: 181635, 1816ВЕ48, 1816ВЕ751 и другие;

микропроцессоры: 580ВМ80М, 1821ВМ85, 1801ВМ2, 1801ВМ3 и другие.

Принцип объединения компонентов ЭВМ и периферийных устройств с помощью общей магистрали позволяет легко модифицировать систему в соответствии с конкретными потребностями. Форма связи каждого устройства, подключенного к общей магистрали, — стандартная.

В зависимости от конкретных условий применения приходится учитывать и такие факторы, как быстродействие, объем оперативной памяти, мощность потребления, габаритные размеры, надежность и тому подобное. Наиболее полно вышеприведенным критериям отвечала одноплатная микроЭВМ «Электроника МС 1201.03», воплощающая в себе значительные достижения отечественной технологии и к 90-м годам являющаяся наиболее совершенной среди аналогичного класса отечественных моделей. Основа ее — микропроцессорный комплект серии 1801, выполненный по n-канальной МОП-технологии. МикроЭВМ «Электроника МС 1201.03» предназначена для использования в АСУ ТП, контрольно-измерительной аппаратуре, в системах обработки цифровой информации общего назначения. Широкая об ласть применения обеспечивается встраиванием ее в аппаратуру потребителя.

МикроЭВМ представляет собой систему функциональных устройств (рисунок 3.1), связь между которыми осуществляется через общую магистраль (единый системный канал обмена информацией). Минимальная конфигурация микроЭВМ содержит:

ЦП — процессор (АЛУ, цифровой автомат, генератор тактовых импульсов;

ОЗУ — оперативное запоминающее устройство (для хранения исходных данных и результатов вычислений);

ПЗУ — постоянное запоминающее устройство (для хранения операционной системы, программ отладчиков и тому подобное);

УПсИ — устройство последовательного интерфейса ввода-вывода информации;

УПрИ — устройство параллельного (байтового) параллельного интерфейса вывода;

Рисунок 3.1 – Структура микроЭВМ для ИУВС Общая магистраль – это расширение (удлинение) системной магистрали микропроцессорной системы, представляющую собой сформированную ЭВМ. МикроЭВМ на базе МП или ОЭВМ обеспечивает значительную гибкость, модульную простоту и упрощает разработку ИУВС.


Выбор типа МП или ОЭВМ производится исходя из возможности использования стандартного программного обеспечения существующих архитектур микро- и мини-ЭВМ, наличия развитого периферийного оборудования и возможности наращивания технических средств (как внешних устройств по отношению к микроЭВМ).

3.1.2 ХАРАКТЕРИСТИКА ПРОГРАММНОГО ОБЕСПЕЧЕНИЯ Эффективность ИУВС в значительной мере определяется качеством ее программного обеспечения. Чтобы ИУВС выполняла заданные ей функции, в памяти ЭВМ должна находиться последовательность команд, реализующая эти функции, то есть программа. Программа определяет порядок, в котором машина извлекает из памяти или из регистров внешних устройств ту или иную часть информации, коды операций (сложение, вычитание, пересылки и тому подобное), которые должны выполняться, адреса хранения результатов, адреса, откуда должны выбираться следующие команды при выполнении некоторых условий в исходных данных или в результатах вычислений.

Единственный язык, который «понимает» процессор ЭВМ, это машинный язык в двоичных кодах. Хотя разработчик ИУВС и может использовать этот машинный язык, но затраты труда на разработку даже сравнительно небольшой программы при этом были бы огромны. Поэтому созданы специальные языки – заменители машинных языков – ассемблеры, где каждая машинная команда заменяется соответствующей ей фразой на человеческом языке. Для перевода программы, написанной на ассемблере, в машинные (двоичные) коды существуют специальные программы – компиляторы. Эти программы входят, как правило, в состав программных средств, поставляемой изготовителем микропроцессорной техники.

Кроме этого, разработчики микропроцессорной техники для средств контроля и управления поставляют эмуляторы – комплекс программных средств, позволяющих в среде мощных ЭВМ воспроизводить и отлаживать образы (модели) реальных модулей ИУВС нужной архитектуры.

Более развитые микропроцессорные модули ИУВС содержат в ПЗУ микроЭВМ программу отладчика (программу-монитор), которые позволяют отлаживать программу функционирования ИУВС в среде реальных технических средств, а не их образов.

Широко используются для программирования работы узлов ИУВС и языки высокого уровня: TurboPascal, Visual-C и тому подобное. Эти языки позволяют, например, составить удобный графический многооконный интерфейс для оператора, что весьма затруднительно сделать на ассемблере, хотя программы, написанные на ассемблере, являются самыми компактными.

Другим средством для написания программ функционирования узла ИУВС является интерпретатор – простейший язык программирования, не требующий специальных знаний и навыков в области программирования. В отличие от компилятора, который просто преобразует всю программу в последовательность машинных кодов, интерпретатор транслирует и выполняет исходную программу, написанную на языке интерпретатора, но по одной командной строке. Благодаря таким особенностям интерпретатора существенно облегчается написание и отладка программы, в нее легко вносить изменения и дополнения.

3.2 Структуры микропроцессорных ИУВС 3.2.1 СТРУКТУРА ЦЕНТРАЛИЗОВАННЫХ МИКРОПРОЦЕССОРНЫХ ИУВС Рассмотрим структуру типовой централизованной микропроцессорной ИУВС на примере реально существующих ИУВС на основе микроЭВМ типа «Электроника» (микропроцессор серии 1801) (рисунок 3.2).

Рисунок 3.2 – Схема ИУВС на базе микроЭВМ с общей магистралью Поскольку система централизованная, то она должна предусматривать рабочее место оператора, то есть должна иметь технические средства ввода команд и вывода информации о состоянии контролируемого объекта.

На рисунке 3.2 представлена структура ИУВС, где ВдТ — видеотерминал: дисплей на электронно-лучевой трубке и клавиатура;

УВВ — устройство ввода-вывода на магнитный носитель;

УВыв — устройство вывода на печать;

АЦП — узел аналого-цифровых преобразователей (преобразование входных измерительных аналоговых сигналов);

УВВ РС — устройство ввода и вывода релейных сигналов;

ЦАП – узел цифроаналоговых преобразователей (преобразование выходных аналоговых сигналов-воздействий).

Анализ этой схемы по отношению к схемам, приведенным на рисунке 2.2, показывает, что структура СОД соответствует структуре на рисунке 2.2-а, причем роль цифрового мультиплексора (коммутатора каналов ввода информации и вывода выходных воздействий) выполняет общая магистраль посредством адресации.

Общая магистраль имеет организацию Q-bus (совмещенная магистраль адреса и данных и шлейфовая организация магистрали управления) [1]. Для каждого устройства, подсоединенного к общей магистрали, вид связи одинаков. Процессор ЦП микроЭВМ (рисунок 3.1) использует один и тот же набор сигналов как для связи с ячейками оперативной памяти ОЗУ, так и для связи с периферийными устройствами. Каждой ячейке памяти и регистрам периферийных устройств присваивается определенный адрес. Благодаря такой структуре все команды для данных, хранящихся в оперативной памяти, в равной мере могут использоваться и для данных в регистрах периферийных устройств. Этот принцип — весьма существенная особенность микроЭВМ с общей магистралью, так как одно и то же множество команд можно применять как для вычислений, так и для управления вводом-выводом.

Специальные команды ввода-вывода становятся ненужными, и ввод-вывод информации может быть совмещен с ее обработкой.

Связь между устройствами, соединенными общей магистралью, осуществляется по принципу «активный – пассивный» (ведущий – ведомый). В любой момент времени имеется только одно устройство, которое управляет магистралью и носит название «активный». Это устройство управляет работой магистрали при осуществлении связи с другим устройством, соединенным с магистралью и именуемым «пассивный». По умолчанию активным является процессор ЦП.

Наиболее типичным этот режим является по отношению к ОЗУ, являющимся буферной памятью для данных обмена и, в связи с этим, носит название прямого доступа к памяти – ПДП. Активным устройством, например, может быть накопитель на магнитном диске (НМД), передающий данные в ОЗУ, или какой-либо АЦП;

в этот момент ЦП отключается от системной магистрали. Поскольку теоретически каждое устройство, подключенное к системной (общей) магистрали может быть активным, то между ними устанавливается градация приоритетов по режимам «захвата»

системной магистрали. В режиме ПДП обмен данными осуществляется без программного управления со стороны процессора и является самым быстрым способом передачи данных между памятью и внешним устройством. Адресацию и управление размерами передаваемого массива должно обеспечить устройство, получившее прямой доступ к памяти.

Другой режим обслуживания срочного ввода или вывода информации обеспечивается с участием процессора, то есть, с использованием программ и является более гибким по отношению к режиму ПДП, но более медленным. Этот режим называется режимом аппаратного прерывания. В режиме работы по прерыванию обмен данными происходит по требованию периферийного устройства. При этом процессор приостанавливает выполнение текущей программы, чтобы обслужить запрашивающее устройство, вызвав для этого соответствую программу. После завершения выполнения программы обслуживания внешнего устройства по передаче данных процессор возобновляет выполнение прерванной программы с того места, где она была прервана. Реализация режима передачи данных по прерыванию позволяет процессору эффективно использовать время работы, исключая всякие режимы ожидания, работая одновременно с множеством процессов передачи данных между микроЭВМ и УСО, также системными устройствами ввода-вывода.

Для реализации режимов ПДП и аппаратного прерывания соответственно имеются две линии магистрали управления: линия «Запрос на прерывание» и линия «Запрос на прямой доступ к памяти», проходящие шлейфом через все устройства ввода-вывода. В том случае, когда два (или более) устройства одновременно посылают запросы на использование магистрали, предпочтение отдается тому устройству, электрическое соединение которого находится ближе к процессору ЦП.

3.2.2 СТРУКТУРА ДЕЦЕНТРАЛИЗОВАННЫХ МИКРОПРОЦЕССОРНЫХ ИУВС В настоящее время децентрализованные микропроцессорные ИУВС составляют наиболее многочисленный класс систем контроля и управления.

В общем случае архитектура типового модуля децентрализованной микропроцессорной ИУВС, являющегося связующим звеном между частью контролируемого сложного (рассредоточенного) объекта и центральным пунктом управления, имеет вид, представленный на рисунке 3.3.

Рисунок 3.3 – Структура децентрализованной микропроцессорной ИУВС В состав модуля децентрализованной микропроцессорной ИУВС входят:

- микроЭВМ с системной магистралью Multi-bus (разделенные магистралями адреса МА и данных МД и радиальной магистралью управления /2/, в том числе: магистраль прерываний МПР и магистраль стробов управления обменом (стробы записи и чтения) СУО;

- устройство сопряжения с объектом УСО (на рисунке структурно выделены части УСО для ввода – УВв и вывода – УВыв);

- пульт управления ПУ с минимальной системой отображения информации СОИ (предназначено для контроля и наладки модуля ИУВС);

- устройство сопряжения с сетевым окружением УССО (определяется видом линии связи с центральным пунктом управления: телефонная или коаксиальная проводная связь, оптоволоконная связь, радиосвязь) Принадлежностью системы можно считать также датчики входной информации ДВИi и исполнительные элементы ИЭj, поскольку их параметры учитываются в УСО, в связи с чем они в целом составляют структуру СОД (п. 2.2.1, рисунок 2.2).

МикроЭВМ выполняет заданные резидентной программой, которая «зашита» в ПЗУ, преобразования информации и управляет работой всех составных частей ИУВС. В процессе работы микроЭВМ опрашивает состояние органов управления и задания режимов (тумблеры, переключатели) на пульте управления ПУ, и в зависимости от их положения реализует тот или иной режим функционирования модуля ИУВС.

Взаимодействие микроЭВМ с УСО, ПУ, СОИ и УССО осуществляется по внешним магистралям адреса МАВ, данных МДВ, прерывания МПР, составляющих общую магистраль. Для опроса требуемой в данный момент времени информации на магистрали МА микроЭВМ устанавливается адрес источника информации. Такими источниками могут быть тумблер ПУ, один из каналов ввода УСО, приемник УССО. В источнике информации определяется соответствие его номера адресу и обеспечивается выдача информации по магистрали МДВ. Аналогично осуществляется вывод информации.

В подавляющих случаях инициатором обмена является микроЭВМ, то есть ее основная (резидентная) программа. Вместе с тем, с целью уменьше ния времени ожидания системы на изменения состояния объекта управления, УСО, ПУ и СОИ могут формировать запросы на прерывание работы в текущем режиме и временный (оперативный) переход к обработке новой информации. Для этого в ИУВС предусматривается магистраль прерывания МПР. Процедура ввода или вывода данных по прерыванию ничем не отличается от описанной выше в п.3.2.1.

Режим ПДП в таких модулях ИУВС, как правило, не предусматривается.

3.2.3 АРХИТЕКТУРА МУЛЬТИМИКРОПРОЦЕССОРНЫХ ИУВС Для современного этапа развития ИУВС характерен переход от ИУВС с одним микропроцессором к мультимикропроцессорным ИУВС (mМП ИУВС), в которых сложнейшие задачи управления выполняются одновременно множеством микропроцессоров. Интерес к созданию управляющих и вычислительных систем, получаемых соединением в сложную структуру большого числа микропроцессоров, запоминающих устройств, устройств ввода-вывода информации, то есть к mМП ИУВС, обусловлен:

1) необходимостью создания высокопроизводительных ИУВС с эквивалентным быстродействием в десятки и сотни миллионов операций в секунду, например для анализа и прогнозирования погоды, распознавания образов, систем автоматизированного проектирования, решения задач обработки сигналов и сопровождения целей в военной технике и тому подобное;

2) требованием обеспечения живучести ИУВС, работающих в режиме реального времени, то есть необходимостью создания ИУВС, способных продолжить работу при выходе из строя отдельных их устройств;

3) территориальной удаленностью на десятки, сотни и тысячи метров элементов систем управления и сбора информации, включающих вычислительные средства;

4) необходимостью в большинстве случаев коммутации вычислительной мощности, ее динамическим перераспределением в зависимости от динамики решаемых задач;

5) необходимостью адаптации ИУВС к внешним условиям, а не наоборот;

6) требованием достижения гибкости вычислительных средств, то есть возможности изменения конфигурации, расширяемости и модульности структуры;

7) потребностью в повышении производительности самих микро процессоров, поскольку они не могут конкурировать со сверхбыст родействующими ЭВМ;

8) низкой стоимостью элементной базы (БИС микропроцессорных наборов, ОЗУ, ПЗУ, ППЗУ, УВВ), обладающей достаточно большими вычислительными возможностями.

Успех широкого применения mМП ИУВС связан:

- с разработкой архитектуры (структурной организации) и системного программного обеспечения;

- с созданием параллельных алгоритмов решения задачи и соответствующего прикладного программного обеспечения.

Архитектуру параллельных мультимикропроцессорных вычислительных систем вообще можно классифицировать, например, по типу внутрисистемных связей, связанности микропроцессоров, по тому, состоит ли система из однородных или неоднородных вычислительных средств, и тому подобное. Глобально mМП системы можно разбить на две группы:

а)пирамидальные и б)распределенные.

Пирамидальные mМП системы содержат по отношению к общей магистрали один активный микропроцессор и несколько пассивных микропроцессоров, обслуживающих, как правило, специальные операции (ввод и вывод данных, кодирование, модуляция-демодуляция, вычисление специальных функций и т.п.).

Распределенные mМП системы в целях повышения производительности должна обеспечивать одновременное параллельное решение большого числа частей общей программы.

В соответствии со свойством однородности структуры и в целях обеспечения ее реконфигурации, ремонтопригодности, унификации mМП ИУВС должна строиться из набора идентичных базовых модулей, идентично соединенных между собой. Перечисленным свойствам в различной степени отвечают структуры мультимикропроцессорных ИУВС, представленные на рисунке 3.4.

В случае связи через общую память, организованную по принципу «почтового ящика» (рисунок 3.3а), эта память представляет собой распределенные ресурсы данных. В одном из вариантов для каждого микропроцессорного модуля мультимикропроцессорной ИУВС в общей памяти отводятся фиксированные области: «почтовый ящик состояний» 2 и «почтовый ящик сообщений» 1. Активный (передающий) модуль формирует пакет информации и сопровождающую ее квитанцию (файл), помещает их соответственно в «почтовый ящик сообщений» 1 и «почтовый ящик состояний» 2. Далее каждый пассивный (принимающий) модуль по мере готовности обращается к своему «почтовому ящику состояний» 2 и при обнаружении квитанции о наличии данных для него в соответствующем «почтовом ящике сообщений» 1 считывает пакет информации. После этого стирает квитанцию в «почтовом ящике состояний» 2.

Преимущество mМП ИУВС с общей памятью, организованной по принципу «почтового ящика», состоит в том, что пассивные модули (адресаты) получают данные без участия активного модуля (источника), то есть обмен данными является в большей степени асинхронным, чем в системах с общей магистралью без общей памяти.

При соединении модулей mМП ИУВС с помощью матричных переключателей (рисунок 3.3б) связь между активным и пассивным модулями осуществляется с помощью матрицы соединительных шин и совокупности переключателей П, то есть реализуется пространственное разделение сигналов. Конфликты в такой системе возникают лишь в тех случаях, когда несколько активных модулей одновременно обращаются к одному пассивному модулю. Построение подобных систем требует больших аппаратурных затрат.

Рисунок 3.3 - Примеры связей между модулями мультимикропроцессорной ИУВС распределенного типа Наиболее экономичным является применение специального класса ( класс) коммутационных сетей («всех со всеми»). В этом случае общая магистраль как таковая исчезает, так как она растворяется во всевозможных парных связях между объектами модулей, образующих так называемую дельта-сеть С (рисунок 3.3в).

Изложенный материал для восприятия является непростым и требует глубоких знаний в области микропроцессорной техники. Но таковы по сложности современные системы контроля и управления, ориентированные на максимальное использование микропроцессорной техники в виду эффективности последней. По мере продвижения по разделам данной книги еще не один раз придется обращаться к материалам данного раздела.

3.3 Вопросы для самопроверки 3.3.1 Чем принципиально отличаются централизованные и децентрализованные ИУВС?

3.3.2 Назовите основные компоненты микро-ЭВМ модуля централизованной ИУВС.

3.3.3 Назовите основные компоненты микро-ЭВМ модуля децентрализованной ИУВС.

3.3.4 Чем принципиально отличаются магистрали Q-bus и Multi-bus?

3.3.5 Дайте характеристику основным представителям микро-ЭВМ ИУВС.

3.3.6 Дайте характеристику программному обеспечению ИУВС.

3.3.7 Дайте краткую характеристику мультимикропроцессорным ИУВС.

4 Основы синтеза структурных схем ИУВС 4.1 Введение в структурный синтез микропроцессорного модуля ИУВС Синтез структурной схемы любого устройства (то есть, составление структурной схемы с использованием стандартных структурных элементов по определенной методике) – это один из самых ответственных этапов проектных работ. Здесь, на основе различных знаний в области метрологии, измерительной и преобразовательной техники, в сфере аналоговых, цифровых и микропроцессорных устройств, необходимо составить из неких структурных элементов с известными или заданными передаточными характеристиками «скелет» будущего устройства. При этом подразумевается, что мы знаем, чем «наполнить» каждый структурный элемент, то есть, знаем, как реализовать на практике его передаточные функции с заданными погрешностями, входные и выходные характеристики, алгоритмы функционирования, параметры по потреблению энергии, помехоустойчивости и тому подобное.

При первом знакомстве с синтезом подсистем ИУВС достаточно ограничиться синтезом микропроцессорного модуля децентрализованной ИУВС, используя традиционные способы построения его структуры (рисунки 2.2 и 3.1). В рамках данного раздела мы несколько упростим задачу синтеза, выбрав за основу вариант СОД, представленный на рисунке 2.2б, оставив только самые необходимые его элементы, а также микроЭВМ на основе микропроцессорной системы с открытой архитектурой (рисунок 3.1), предусматривающей простейший сетевой интерфейс RS-232 (Стык-2).

Другим упрощением реального синтеза структурной схемы модуля ИУВС будет ограничение количества определяемых параметров структурных элементов двумя: коэффициентом передачи (без учета инерционных свойств структурных элемента) и погрешностью коэффициента передачи. Эти ограничения позволят обнажить сущность синтеза структурной схемы микропроцессорного модуля ИУВС.

Кроме этого, необходимо заметить, что теория обозначенного выше синтеза без взаимосвязи с известными, устоявшимися на современном этапе архитектурами структурных схем систем контроля, без учета параметров конкретных типовых элементов этих систем является немыслимой. Поэтому методика синтеза в данном разделе увязывается с примером синтеза микропроцессорного модуля ИУВС с конкретными параметрами.

Необходимо заметить, что синтез структурной схемы и оценка ее параметров составляют два этапа проектирования. Содержание этих этапов с соответствующими методиками представлено в п.4.2 и 4.3.



Pages:   || 2 | 3 | 4 | 5 |
 





 
© 2013 www.libed.ru - «Бесплатная библиотека научно-практических конференций»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.