Автоматизированные измерительные и диагностические комплексы, системы
Вологодский ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ
Кафедра химии и общей биологии
РЕФЕРАТ
На тему: Автоматизированные измерительные и диагностические комплексы,
системы
и технические устройства.
Подготовил: студент группы ГЭ-21
Асташов К. В.
Принял:
преп. Агафонова Н. В.
Вологда
2001
СОДЕРЖАНИЕ
1. Введение в измерительную технику
. Роль и значение измерительной техники. История развития
. Основные понятия и определения
2. Измерительные информационные системы.
. Общая классификация измерительных информационных систем
. Классификация ИИС по функциональному назначению
. Обобщенная структура ИИС
3. Интерфейсы измерительных информационных систем.
. Общие понятия и определения
. Интерфейсные функции
. Приборные интерфейсы
. Машинные интерфейсы
4. Заключение.
5. Список литературы.
ВВЕДЕНИЕ В ИЗМЕРИТЕЛЬНУЮ ТЕХНИКУ
Роль и значение измерительной техники. История развития
Измерительная техника - один из важнейших факторов ускорения научно-
технического прогресса практически во всех отраслях народного хозяйства.
При описании явлений и процессов, а также свойств материальных тел
используются различные физические величины, число которых достигает
нескольких тысяч: электрические, магнитные, пространственные и временные;
механические, акустические, оптические, химические, биологические и др. При
этом указанные величины отличаются не только качественно, но и
количественно и оцениваются различными числовыми значениями.
Установление числового значения физической величины осуществляется
путем измерения. Результатом измерения является количественная
характеристика в виде именованного числа с одновременной оценкой степени
приближения полученного значения измеряемой величины к истинному значению
физической величины. Укажем, что нахождение числового значения измеряемой
величины возможно лишь опытным путем, т. е. в процессе физического
эксперимента.
При реализации любого процесса измерения необходимы технические
средства, осуществляющие восприятие, преобразование и представление
числового значения физических величин.
На практике при измерении физических величин применяются электрические
методы и неэлектрические (например, пневматические, механические,
химические и др.).
Электрические методы измерений получили наиболее широкое
распространение, так как с их помощью достаточно просто осуществлять
преобразование, передачу, обработку, хранение, представление и ввод
измерительной информации в ЭВМ.
Технические средства и различные методы измерений составляют основу
измерительной техники. Любой производственный процесс характеризуется
большим числом параметров, изменяющихся в широких пределах. Для поддержания
требуемого режима технологической установки необходимо измерение указанных
параметров. При этом, чем достовернее осуществляется измерение
технологических параметров, тем лучше качество целевого выходного продукта.
Современные предприятия, например нефтехимического профиля с непрерывным
характером производства, для поддержания качества выпускаемой продукции
используют измерение различных физических параметров, таких, как
температура, объемный и массовый расход веществ, давление, уровень и
количество вещества, время, состав вещества (плотность, влажность,
содержание механических примесей и др.), напряжение, сила тока, скорость и
др. При этом число требуемых для измерения параметров достигает нескольких
тысяч. Например, в атомной энергетике число требуемых для измерения
параметров процессов достигает десятков тысяч.
Получение и обработка измерительной информации предназначены не только
для достижения требуемого качества продукции, но и организации
производства, учета и составления баланса количества вещества и энергии. В
настоящее время важной областью применения измерительной техники является
автоматизация научно-технических экспериментов. Для повышения экономичности
проектируемых объектов, механизмов и машин большое значение имеют
экспериментальные исследования, проводимые на их физических моделях. При
этом задача получения и обработки измерительной информации усложняется
настолько, что ее эффективное решение становится возможным лишь на основе
применения специализированных измерительно-вычислительных средств.
Роль измерительной техники подчеркнул великий русский ученый Д.И.
Менделеев: "Наука начинается с тех пор, как начинают измерять...".
Измерительная техника начала свое развитие с 40-х годов XVIII в. и
характеризуется последовательным переходом от показывающих (середина и
вторая половина XIX в.), аналоговых самопишущих (конец XIX - начало XX в.),
автоматических и цифровых приборов (середина XX в. - 50-е годы) к
информационно-измерительным системам.
Конец XIX в. характеризовался первыми успехами радиосвязи и
радиоэлектроники. Ее развитие привело к необходимости создания средств
измерительной техники нового типа, рассчитанных на малые входные сигналы,
высокие частоты и высокоомные входы. В этих новых средствах измерительной
техники использовались радиоэлектронные компоненты -выпрямители, усилители,
модуляторы и генераторы (ламповые, транзисторные, на микросхемах),
электронно-лучевые трубки (при построении осциллографов) и др.
Таким образом, расширение номенклатуры и качественных показателей
средств измерительной техники неразрывно связано с достижениями
радиоэлектроники. Одним из современных направлений развития измерительной
техники, базирующейся на достижениях радиоэлектроники, являются цифровые
приборы с дискретной формой представления информации. Такая форма
представления результатов оказалась удобной для преобразования, передачи,
обработки и хранения информации. Развитие дискретных средств измерительной
техники в настоящее время привело к созданию цифровых вольтметров
постоянного тока, погрешность показаний которых ниже 0,0001 %, а
быстродействие преобразователей напряжение - код достигает нескольких
миллиардов измерений в секунду; верхний предел измерения современных
цифровых частотомеров достиг гигагерца; цифровые измерители временного
интервала имеют нижний предел измерения до долей пикосекунды; электрические
токи измеряются в диапазоне от 10~16 до 105 А, а длины - в диапазоне от
10~12 (размер атомов) до 3,086 • 1016 м
Широкие возможности открылись перед измерительной техникой в связи с
появлением микропроцессоров (МП) и микроЭВМ. Благодаря им значительно
расширились области применения средств измерительной техники, улучшились их
технические характеристики, повысились надежность и быстродействие,
открылись пути реализации задач, которые ранее не могли быть решены.
По широте и эффективности применения МП одно из первых мест занимает
измерительная техника, причем все более широко применяются МП в системах
управления. Трудно переоценить значение МП и микроЭВМ при создании
автоматизированных средств измерений, предназначенных для управления,
исследования, контроля и испытаний сложных объектов.
Развитие науки и техники требует постоянного совершенствования средств
измерительной техники, роль которой неуклонно возрастает.
Основные понятия и определения
Понятия и определения, используемые в измерительной технике,
регламентируются ГОСТ 16263-70.
Измерение-это информационный процесс получения опытным путем численного
отношения между данной физической величиной и некоторым ее значением,
принятым за единицу сравнения.
Результат измерения — именованное число, найденное путем измерения
физической величины. Результат измерения может быть принят как
действительное значение измеряемой величины. Одна из основных задач
измерения - оценка степени приближения или разности между истинным и
действительным значениями измеряемой физической величины — погрешности
измерения.
Погрешность измерения - это отклонение результата измерения от
истинного значения измеряемой величины. Погрешность измерения является
непосредственной характеристикой точности измерения.
Точность измерения - степень близости результата измерения к истинному
значению измеряемой физической величины.
Измерение уменьшает исходную неопределенность значения физической
величины до уровня неизбежной остаточной неопределенности, определяемой
погрешностью измерения.
Значение погрешности измерения зависит от совершенства технических
устройств, способа их использования и условий проведения эксперимента.
Принцип измерения - это физическое явление или совокупность физических
явлений, положенных в основу измерения. Примером может служить измерение
температуры с использованием термоэффекта и другие физические явления,
используемые для проведения эксперимента, которые должны быть выбраны с
учетом получения требуемой точности измерения.
Измерительный эксперимент - это научно обоснованный опыт для получения
количественной информации с требуемой или возможной точностью определения
результата измерений. Проведение измерительного эксперимента предполагает
наличие технических устройств, которые могут обеспечить заданную точность
получения результата. Технические устройства, участвующие в эксперименте,
заранее нормируются по показателям точности и относятся к средствам
измерений.
Средство измерений - это техническое устройство, используемое в
измерительном эксперименте и имеющее нормированные характеристики точности.
Количественная информация, полученная путем измерения, представляет
собой измерительную информацию.
Измерительная информация — это количественные сведения о свойстве или
свойствах материального объекта, явления или процесса, получаемые с помощью
средств измерений в результате их взаимодействия с объектом.
Количество измерительной информации - это численная мера уменьшения
неопределенности количественной оценки свойств объекта.
Взаимодействие объекта исследования и средств измерений в процессе
эксперимента предполагает наличие сигналов, которые являются носителями
информации. Важными носителями информации являются электрический ток,
напряжение, импульсы и другие электрические параметры.
Измерительный сигнал — сигнал, функционально связанный с измеряемой
физической величиной с заданной точностью.
Метод измерения — это совокупность приемов использования принципов и
средств измерений. Важное значение в измерительной технике имеет единство
измерений.
Единство измерений - такое состояние измерений, при котором их
результаты выражены в указанных единицах, а погрешности измерений известны
с заданной вероятностью. Единство измерений позволяет сравнивать результаты
различных экспериментов, проведенных в различных условиях, выполненных в
разных местах с использованием разных методов и средств измерений. Это
достигается путем точного воспроизведения и хранения установленных единиц
физической величины и передачи их размеров применяемым средствам измерения.
Перечисленные вопросы составляют предмет метрологии.
Метрология — это учение о мерах, это наука о методах и средствах
обеспечения единства измерений и способах достижения требуемой точности.
Мера предназначена для воспроизведения физической величины данного размера.
Законодательная метрология — это раздел метрологии, включающий
комплексы взаимосвязанных и взаимообусловленных правил, требований и норм,
а также другие вопросы, нуждающиеся в регламентации и контроле со стороны
государства, направленные на обеспечение единства измерений и единообразия
средств измерений. В соответствии с изложенным характеристики средств
измерений, определяющие точность измерения с их помощью, называют
метрологическими характеристиками средств измерения. Метрологические
характеристики обязательно нормируются и в установленном порядке с целью
обеспечения единства измерений.
Контроль — процесс установления соответствия между состоянием!
(свойством) объекта контроля и заданной нормой. В результате контроля
выдается суждение о состоянии объекта.
ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЕ ИНФОРМАЦИОННЫЕ СИСТЕМЫ
Общая классификация измерительных информационных систем
Измерительная информационная система (ИИС) в соответствии с ГОСТ
8.437—81 представляет собой совокупность функционально объединенных
измерительных, вычислительных и других вспомогательных технических средств
для получения измерительной информации, ее преобразования, обработки с
целью представления потребителю (в том числе для АСУ) в требуемом виде,
либо автоматического осуществления логических функций контроля,
диагностики, идентификации.
В зависимости от выполняемых функций ИИС реализуются в виде
измерительных систем (ИС), систем автоматического контроля (САК),
технической диагностики (СТД), распознавания (идентификации) образов (СРО).
В СТД, САК и СРО измерительная система входит как подсистема.
Информация, характеризующая объект измерения, воспринимается ИИС,
обрабатывается по некоторому алгоритму, в результате чего на выходе системы
получается количественная информация (и только информация), отражающая
состояние данного объекта. Измерительные информационные системы существенно
отличаются от других типов информационных систем и систем автоматического
управления (САУ). Так, ИИС, входящая в структуры более сложных систем
(вычислительных систем связи и управления), может быть источником
информации для этих систем. Использование информации для управления не
входит в функции ИИС, хотя информация, получаемая на выходе ИИС, может
использоваться для принятия каких-либо решений, например, для управления
конкретным экспериментом.
Каждому конкретному виду ИИС присущи многочисленные особенности,
определяемые узким назначением систем и их технологически конструктивным
исполнением. Ввиду многообразия видов ИИС до настоящего времени не
существует общепринятой классификации ИИС.
Наиболее распространенной является классификация ИИС по функциональному
назначению. По этому признаку, как было сказано выше, будем различать
собственно ИС, САК, СТД, СРО.
По характеру взаимодействия системы с объектом исследования и обмена
информацией между ними ИИС могут быть разделены на активные и пассивные.
Пассивные системы только воспринимают информацию от объекта, а активные,
действуя на объект через устройство внешних воздействий, позволяют
автоматически и наиболее полно за короткое время изучить
его поведение. Такие структуры широко применяются при автоматизации
научных исследований различных объектов.
В зависимости от характера обмена информацией между объектами и
активными ИИС различают ИС без обратной связи и с обратной связью по
воздействию. Воздействие на объект может осуществляться по заранее
установленной жесткой программе либо по программе, учитывающей реакцию
объекта. В первом случае реакция объекта не влияет на характер воздействия,
а следовательно, и на ход эксперимента. Его результаты могут быть выданы
оператору после окончания. Во втором случае результаты реакции отражаются
на характере воздействия, поэтому обработка ведется в реальном времени.
Такие системы должны иметь развитую вычислительную сеть. Кроме того,
необходимо оперативное представление информации оператору в форме, удобной
для восприятия, с тем чтобы он мог вмешиваться в ход процесса.
Эффективность научных исследований, испытательных, поверочных работ,
организации управления технологическими процессами с применением ИИС в
значительной мере определяется методами обработки измерительной информации.
Операции обработки измерительной информации выполняются в устройствах,
в качестве которых используются специализированные либо универсальные ЭВМ.
В некоторых случаях функции обработки результатов измерения могут
осуществляться непосредственно в измерительном тракте, т. е. измерительными
устройствами в реальном масштабе времени.
В системах, которые содержат вычислительные устройства, обработка
информации может производиться как в реальном масштабе времени, так и с
предварительным накоплением информации в памяти ЭВМ, т. е. со сдвигом по
времени.
При исследовании сложных объектов или выполнении многофакторных
экспериментов применяются измерительные системы, сочетающие высокое
быстродействие с точностью. Такие ИИС характеризуются большими потоками
информации на их выходе.
Значительно повысить эффективность ИИС при недостаточной априорной
информации об объекте исследования можно за счет сокращения избыточности
информации, т. е. сокращения интенсивности потоков измерительной
информации. Исключение избыточной информации, несущественной с точки зрения
ее потребителя, позволяет уменьшить емкость устройств памяти, загрузку
устройств обработки данных, а следовательно, и время обработки информации,
снижает требования к пропускной способности каналов связи.
При проектировании и создании ИИС большое внимание уделяется проблеме
повышения достоверности выходной информации и снижения вероятностей
возникновения (или даже исключения) нежелательных ситуаций. Этого можно
достичь, если на ИИС возложить функции самоконтроля, в результате чего ИИС
способна осуществлять тестовые проверки работоспособности средств системы и
тем самым сохранять метрологические характеристики тракта прохождения
входных сигналов, проверять достоверность результатов обработки информации,
получаемой посредством измерительных преобразований, и ее представления.
Все более широкое развитие получают системы, предусматривающие
автоматическую коррекцию своих характеристик — самонастраивающиеся
(самокорректирующиеся) системы.
Введение в такие системы свойств автоматического использования
результатов самоконтроля — активного изучения состояния ИИС — и
приспособляемости к изменению характеристик измеряемых сигналов или к
изменению условий эксплуатации делает возможным обеспечение заданных
параметров системы.
Классификация ИИС по функциональному назначению
В зависимости от функционального назначения структуры ИИС подразделяют
по принципу построения. Рассмотрим основные особенности и отличия.
Собственно измерительные системы используются для различного рода
комплексных исследований научного характера. Они предназначены для работы с
объектами, характеризующимися до начала эксперимента минимумом априорной
информации. Цель создания таких систем заключается в получении
максимального количества достоверной измерительной информации об объекте
для составления алгоритмического описания его поведения.
Обратная связь системы с объектом отсутствует или носит вспомогательный
характер. Как отмечалось, информация, полученная на выходе ИИС, может
использоваться для принятия каких-либо решений, создания возмущающих
воздействий, но не для управления объектом. ИИС предназначена для создания
дополнительных условий проведения эксперимента, для изучения реакции
объекта на эти воздействия. Следовательно, использование информации не
входит в функции ИИС. Эта информация предоставляется человеку-оператору или
поступает в средства автоматической обработки информации.
Для измерительных систем характерны:
. более высокие по отношению к системам другого вида требования к
метрологическим характеристикам;
. более широкий спектр измеряемых физических величин и в
особенности их количество (число измерительных каналов);
. необходимость в средствах представления информации; это связано с
тем, что основной массив информации с выхода систем передается
человеку для принятия им решения об изменении условий проведения
эксперимента, его продолжении или прекращении. Поэтому
определяющим требованием является неискаженное, наглядное и
оперативное представление текущей информации с учетом динамики ее
обновления и быстродействия системы, обеспечивающее удобство
восприятия и анализа человеком;
. большой объем внешней памяти для систем, в которых обработка и
анализ результатов осуществляется после завершения эксперимента с
помощью набора различных средств обработки и предоставления
информации.
Разновидности ИС
. ИС для прямых измерений, т. е. независимых измерений дискретных
значений непрерывных величин;
. статистические ИС, предназначенные для измерения статистических
характеристик измеряемых величин;
. системы, предназначенные для раздельного измерения зависимых
величин.
Входными в ИС для прямых измерений являются величины, воспринимаемые
датчиками или другими входными устройствами системы. Задача таких ИС
заключается в выполнении аналого-цифровых преобразований множества величин
и выдаче полученных результатов измерения.
В рассматриваемых ИС основные типы измеряемых входных величин могут
быть сведены либо к множеству изменяющихся во времени величин, либо к
изменяющейся во времени t и распределенной по пространству Л непрерывной
функции х (t, Л). При измерении непрерывная функция х (t, Л) представляется
множеством дискрет.
Измерительные системы, производящие измерения дискрет функции x(t, Л),
основаны на использовании многоканальных, многоточечных,
мультиплицированных и сканирующих структур.
Многоканальные системы объединяются в один из самых распространенных
классов измерительных систем параллельного действия, применяемых во всех
отраслях народного хозяйства. Основные причины столь широкого
распространения многоканальных ИС заключаются в возможности использования
стандартных, относительно простых, измерительных приборов, в наиболее
высокой схемной надежности таких систем, в возможности получения
наибольшего быстродействия при одновременном получении результатов
измерения, в возможности индивидуального подбора СИ к измеряемым величинам.
Недостатки таких систем — сложность и большая стоимость по сравнению с
другими системами.
В измерительных системах последовательного действия - сканирующих
измерительных системах — операции получения информации выполняются
последовательно во времени с помощью одного канала измерения. Если
измеряемая величина распределена в пространстве или собственно координаты
точки являются объектом измерения, то восприятие информации в таких
системах выполняется с помощью одного сканирующего датчика.
Сканирующие системы находят применение при расшифровке графиков. В
медицине, геофизике, метрологии, при промышленных испытаниях, во многих
отраслях народного хозяйства и при научных исследованиях затрачивается
значительное время на измерение параметров графических изображений и
представление результатов измерения в цифровом виде. Для указанных целей
промышленностью выполняются различные специализированные полуавтоматические
расшифровочные устройства и системы ("Силуэт").
Сканирование может выполняться непосредственно воспринимающим элементом
или сканирующим лучом при неподвижном воспринимающем элементе. Такими
элементами могут быть оптико-механические или электронно-развертывающие
устройства.
Для измерения координат графических изображений применяются различные
акустические системы. В геологии и картографии, океанологии и других
областях при автоматизации проектирования осуществляются измерения и выдача
в цифровом виде координат сложных графических изображений на фото
носителях, чертежах и документах. При этом генератор (полуавтоматические
измерения) лишь указывает точки изображения, координаты которых необходимо
измерить. Используемые здесь датчики, как правило, осуществляют
преобразование координат точек в интервалы времени прохождения световых или
акустических импульсов между точками, координаты которых были измерены.
При использовании в устройствах ЭВМ одновременно со считыванием
координат осуществляют обработку графических изображений по заданной
программе.
Голографические ИС (ГИС). Основу датчиков составляют лазеры,
представляющие собой когерентные источники света, когерентная оптика и
оптоэлектронные преобразователи. Голографические измерительные системы
отличаются высокой чувствительностью и повышенной точностью, что послужило
основой широкого их применения в голографической интерферометрии.
Голографическая интерферометрия обеспечивает бесконтактное измерение и
одновременное получение информации от множества точек наблюдаемой
поверхности с использованием меры измерения — длины световой волны,
известной с высокой метрологической точностью.
Выполнение условий минимальной сложности ИС приводит к необходимости
последовательного многократного использования отдельных устройств
измерительного тракта, а следовательно, к применению ИС параллельно-
последовательного действия, которые носят название многоточечных ИС. Работа
таких ИС основана на принципе квантования измеряемых непрерывных величин по
времени.
Измерительные системы с общей образцовой величиной —
мультиплицированные развертывающие измерительные системы — содержат
множество параллельных каналов. Структура системы включает датчики и
устройство сравнения (одно для каждого канала измерения), источник
образцовой величины и одно или несколько устройств представления
измерительной информации. Мультиплицированные развертывающие измерительные
системы позволяют в течение цикла изменения образцовой величины (развертки)
выполнять измерение значений, однородных по физической природе измеряемых
величин, без применения коммутационных элементов в канале измерения. Такие
ИС имеют меньшее количество элементов по сравнению с ИС параллельного
действия и могут обеспечить практически такое же быстродействие.
Статистические измерительные системы. Статистический анализ случайных
величин и процессов широко распространен во многих отраслях науки и
техники. При статистическом анализе используются законы распределения
вероятностей и моментные характеристики, а также корреляционные
спектральные функции.
Системы для измерения законов распределения вероятностей случайных
процессов - анализаторы вероятностей - могут быть одно- и многоканальными.
Одноканальные анализаторы вероятностей за цикл анализа реализации x(t)
позволяют получить одно дискретное значение функции или плотности
распределения исследуемого случайного процесса.
Многоканальные анализаторы позволяют получать законы распределения
амплитуд импульсов и интервалов времени между ними, амплитуд непрерывных
временных и распределенных в пространстве случайных процессов и др.
Многоканальные анализаторы широко используются в ядерной физике, биологии,
геофизике, в химическом и металлургическом производствах. При этом
используются аналоговые, цифровые и смешанные принципы построения
анализаторов.
Существует два основных метода построения корреляционных измерительных
систем. Первый из них связан с измерением коэффициентов корреляции и
последующим восстановлением всей корреляционной функции, второй - с
измерением коэффициентов многочленов, аппроксимирующих корреляционную
функцию.
По каждому из этих методов система может действовать последовательно,
параллельно, работать с аналоговыми или кодоимпульсными сигналами и в
реальном времени.
Значительный класс статистических ИС - корреляционные экстремальные ИС
— основан на использовании особой точки — экстремума корреляционной функции
при нулевом значении аргумента. Корреляционные экстремальные ИС широко
применяются в навигации, радиолокации, металлообрабатывающей, химической
промышленности и в других областях для измерения параметров движения
разнообразных объектов.
Выделение сигналов на фоне шумов, измерение параметров движения,
распознавание образов, идентификация, техническая и медицинская диагностика
- это неполный перечень областей практического применения методов и средств
корреляционного анализа. В настоящее время подавляющий объем
статистического анализа выполняется корреляционными ИС, содержащими ЭВМ,
либо отдельными устройствами со средствами микропроцессорной техники.
Системы спектрального анализа предназначены для количественной оценки
спектральных характеристик измеряемых величин. Существующие методы
спектрального анализа основываются на применении частотных фильтров или на
использовании ортогональных преобразований случайного процесса и
преобразований Фурье над известной корреляционной функцией.
Различают параллельный фильтровый анализ (полосовые избирательные
фильтры-резонаторы), последовательный фильтровый анализ (перестраиваемые
фильтры и гетеродинные анализаторы), последовательно-параллельный анализ.
Достоинства бесфильтровых анализаторов, основанных на определении
коэффициентов ряда Фурье, связаны с получением высокой разрешающей
способности, что позволяет их использовать для детального анализа
определенных участков спектра.
Системы для раздельного измерения взаимосвязанных величин применяются в
следующих случаях:
. исследуемое явление или объект характеризуется множеством
независимых друг от друга величин и при наличии селективных
датчиков можно осуществить измерение всех значений
. при независимых, но не селективных датчиках, сигналы на выходе
которых содержат составляющие от нескольких величин, встает
задача выделения каждой измеряемой величины;
. если элементы связаны между собой, то также необходимо
осуществить раздельное измерение величин х.
Наиболее типичные задачи взаимно связанных измерений - измерение
концентрации составляющих многокомпонентных жидких, газовых или твердых
смесей или параметров компонентов сложных электронных цепей без
гальванического расчленения.
При раздельном измерении взаимосвязанных величин осуществляется
воздействие на многокомпонентное соединение в целях селекции и измерения
нужного компонента. Для механических и химических соединений существуют
различные методики и средства такого раздельного измерения: масс-
спектрометрия, хроматография, люминесцентный анализ и др.
Системы, измеряющие коэффициенты приближающих многочленов, называются
аппроксимирующими (АИС) и предназначены для количественного описания
величин, являющихся функциями времени, пространства или другого аргумента,
а также их обобщающих параметров, определяемых видом приближающего
многочлена.
Информационные операции в АИС выполняются последовательным,
параллельным или смешанным способом. АИС реализуются с разомкнутой или
замкнутой информационной обратной связью, в виде аналоговых или цифровых
устройств.
При создании и использовании АИС выбирают тип приближающего многочлена
и с учетом заданной погрешности аппроксимации определяют порядок функции.
Реализация задач АИС требует знания априорных сведений об исходной
функции, учета метрологических требований к измерениям и др. При этом в
качестве базисных функций могут быть выбраны ряды Фурье, разложения Фурье-
Уолша, Фурье-Хаара, многочлены Чебышева, Лагранжа, Лежандра, Лагерра и др.
К основным областям применения АИС относятся измерение статистических
характеристик случайных процессов и характеристик нелинейных объектов,
сжатие радиотелеметрической информации и информации при анализе
изображений, фильтрация-восстановление функций, генерация сигналов заданной
формы.
Системы автоматического контроля (САК). Системы автоматического
контроля предназначены для контроля технологических процессов, при этом
характер поведения и параметры их известны. В этом случае объект контроля
рассматривается как детерминированный.
Эти системы осуществляют контроль соотношения между текущим
(измеренным) состоянием объекта и установленной "нормой поведения" по
известной математической модели объекта. По результатам обработки
полученной информации выдается суждение о состоянии объектов контроля.
Таким образом, задачей САК является отнесение объекта к одному из возможных
качественных состояний, а не получение количественной информации об
объекте, что характерно для ИС.
В САК благодаря переходу от измерения абсолютных величин к
относительным (в процентах "нормального" значения) эффективность работы
значительно повышается. Оператор САК при таком способе количественной
оценки получает информацию в единицах, непосредственно характеризующих
уровень опасности в поведении контролируемого объекта (процесса).
Как правило, САК имеют обратную связь, используемую для воздействия на
объект контроля. В них внешняя память имеет значительно меньший объем, чем
объем памяти ИС, так как обработка и представление информации ведутся в
реальном ритме контроля объекта.
Объем априорной информации об объекте контроля в отличие от ИС
достаточен для составления алгоритма контроля и функционирования самой САК,
предусматривающего выполнение операций по обработке информации. Алгоритм
функционирования САК определяется параметрами объекта контроля. Например,
существуют параметры, кратковременное отклонение которых от "нормального"
значения может повлечь за собой возникновение аварийной ситуации;
кратковременное отклонение других параметров существенно не влияет на
нормальный ход процесса и поведение объекта; третья группа параметров
используется для расчета технико-экономических показателей (расход сырья,
выход основного продукта и т. д.).
По сравнению с ИС эксплуатационные параметры САК более высокие:
длительность непрерывной работы, устойчивость и воздействие промышленных
помех, климатические и механические воздействия.
В настоящее время в основу классификации САК положена общая
классификация ИИС с учетом специфики функций, выполняемых САК.
Системы автоматического контроля могут быть встроенные в объект
контроля и внешние по отношению к нему. Первые преимущественно применяются
в сложном радиоэлектронном оборудовании и входят в комплект такого
оборудования. Вторые обычно более универсальны.
Системы технической диагностики (СТД). Они относятся к классу ИИС, так
как здесь обязательно предполагается выполнение измерительных
преобразований, совокупность которых составляет базу для логической
процедуры диагноза. Цель диагностики - определение класса состояний, к
которому принадлежит состояние обследуемого объекта.
Диагностику следует рассматривать как совокупность множества возможных
состояний объекта, множества сигналов, несущих информацию о состоянии
объекта, и алгоритмы их сопоставления.
Объектами технической диагностики являются технические системы.
Элементы любого технического объекта обычно могут находиться в двух
состояниях: работоспособном и неработоспособном. Поэтому задачей систем
технической диагностики СТД является определение работоспособности элемента
и локализация неисправностей.
Основные этапы реализации СТД:
. выделение состояний элементов объекта диагностики контролируемых
величин, сбор необходимых статистических данных, оценка затрат
труда на проверку;
. построение математической модели объекта и разработка программы
проверки объекта;
. построение структуры диагностической системы.
Элементы объекта диагноза, как правило, недоступны для
непосредственного наблюдения, что вызывает необходимость проведения
процедуры диагноза без разрушения объекта. В силу этого в СТД
преимущественно применяются косвенные методы измерения и контроля.
В отличие от ИС и САК система технической диагностики имеет иную
организацию элементов структуры и другой набор используемых во входных
цепях устройств и преобразователей информации. Входящий в состав структуры
СТД набор средств обработки, анализа и представления информации может
оказаться значительно более развитым, чем в ИС и САК. В СТД определение
состояния объекта осуществляется программными средствами диагностики. При
поиске применяется комбинационный или последовательный метод.
При комбинационном поиске выполняется заданное число проверок
независимо от порядка их осуществления. Последовательный поиск связан с
анализом результатов каждой проверки и принятием решения на проведение
последующей проверки. Системы технической диагностики подразделяют на
специализированные и универсальные.
По целевому назначению различают диагностические и прогнозирующие СТД.
Диагностические системы предназначены для установления точного диагноза, т.
е. для обнаружения факта неисправности и локализации места неисправности.
Прогнозирующие СТД по результатам проверки в предыдущие моменты времени
предсказывают поведение объекта в будущем.
По виду используемых сигналов СТД подразделяют на аналоговые и кодовые.
По характеру диагностики или прогнозирования различают статистические и
детерминированные СТД. При статистической оценке объекта решение выносится
на основании ряда измерений или проверок сигналов, характеризующих объект.
В детерминированной СТД параметры измерения реального объекта сравниваются
с параметрами образцовой системы (в СТД должны храниться образцовые
параметры проверяемых узлов). Системы технической диагностики подразделяют
также на автоматические и полуавтоматические, а по воздействию на
проверяемые объекты они могут быть пассивными и активными. В пассивной СТД
результат диагностики представляется на световом табло либо в виде
регистрационного документа, т. е. результатом проверки является только
сообщение о неисправности. При активной проверке СТД автоматически
подключает резерв или осуществляет регулирование параметров отдельных
элементов. Конструктивно СТД подразделяют на автономные и встроенные (или
внешние и внутренние).
Системы распознавания образов (СРО). Предназначены для определения
степени соответствия между исследуемым объектом и эталонным образом.
Для задач классификации биологических объектов и дактилоскопических
снимков, опознавания радиосигналов и других создаются специальные системы
распознавания образов. Эти системы осуществляют распознавание образов
через количественное описание признаков, характеризующих данный объект
исследования.
Процесс распознавания реализуется комбинацией устройств обработки и
сравнения обработанного изображения (описания образа) с эталонным образом,
находящимся в устройстве памяти. Распознавание осуществляется по
определенному, заранее выбранному, решающему правилу. При абсолютном
описании образа изображение восстанавливается с заданной точностью, а
относительное описание с набором значений отличительных признаков
(например, спектральных характеристик), не обеспечивая полное
воспроизведение изображения.
Как пример СРО можно привести голографические распознающие системы
(PC). В этих системах распознавание изображений осуществляется с
относительно высокой скоростью (от 103 до 106 изображений в секунду
благодаря параллельному анализу голограмм). Голографические PC нашли
широкое применение при поиске химических элементов по спектрам их
поглощения и в навигации при определении положения объекта по наземным
ориентирам. В голографических PC удачно сочетаются высокая
производительность оптических методов сбора и обработка информации с
логическими и вычислительными возможностями ЭВМ.
Телеизмерительные информационные системы (ТИИС). Они отличаются от
ранее рассмотренных в основном длиной канала связи. Канал связи является
наиболее дорогой и наименее надежной частью этих систем, поэтому для ТИИС
резко возрастает значение таких вопросов, как надежность передачи
информации.
Телеизмерительные ИИС могут быть одно- или многоканальными. Они
предназначаются для измерения параметров сосредоточенных и рассредоточенных
объектов. В зависимости от того, какой параметр несущего сигнала
используется для передачи информации, можно выделить ТИИС:
. интенсивности, в которых несущим параметром является значение
тока или напряжения;
. частотные (частотно-импульсные), в которых измеряемый параметр
меняет частоту синусоидальных колебаний или частоту следования
импульсов;
. времяимпульсные, в которых несущим параметром является
длительность импульсов; к ним же относятся фазовые системы, в
которых измеряемый параметр меняет фазу синусоидального сигнала
или сдвиг во времени между двумя импульсами;
. кодовые (кодоимпульсные), в которых измеряемая величина
передается какими-либо кодовыми комбинациями.
Системы интенсивности подразделяются на системы тока и системы
напряжения в зависимости от того, какой вид сигнала используется для
информации. Этим системам присущи сравнительно большие погрешности, и они
используются при передаче информации на незначительное расстояние.
Частотные ТИИС имеют большие возможности, поскольку в них практически
отсутствуют погрешности, обусловленные влиянием линий связи, и возрастает
дальность передачи информации по сравнению с системами интенсивности.
Время-импульсные системы по длительности применяемых для передачи
импульсов подразделяют на две группы: системы с большим периодом (от 5 до
50 с) и системы с малым периодом (менее десятых долей секунды).
Длиннопериодные системы применяются в основном для измерения медленно
меняющихся неэлектрических величин (уровень жидкости, давление газов и
др.).
Короткопериодные системы имеют большое быстродействие. Для передачи
коротких импульсов требуется большая полоса частот, пропускаемых каналом
связи. В силу этого такие системы с проводными линиями связи (ЛС)
используются редко.
В последнее время получили широкое развитие адаптивные ТИИС, в которых
алгоритмы работы учитывают изменение измеряемой величины или окружающих
условий (воздействий).
Основная цель применения адаптивных ТИИС состоит в исключении
избыточности выдаваемой системой измерительной информации и в сохранении
или оптимизации метрологических характеристик (помехоустойчивости,
быстродействия, погрешностей) при изменении условий измерительного
эксперимента.
В адаптивных ТИИС используются алгоритмы адаптивной дискретизации и
могут быть использованы алгоритмы адаптивной аппроксимации.
Обобщенная структура ИИС
Рассмотренные выше измерительные информационные системы показывают, что
почти для каждого типа ИИС используется цепочка из аппаратных модулей
(измерительных, управляющих, интерфейсных, обрабатывающих). Таким образом,
обобщенная структурная схема ИИС содержит:
. множество различных первичных измерительных преобразователей,
размещенных в определенных точках пространства стационарно или
перемещающихся в пространстве по определенному закону;
. множество измерительных преобразователей, которое может состоять
из преобразователей аналоговых сигналов, коммутаторов аналоговых
сигналов, аналоговых вычислительных устройств, аналоговых
устройств памяти, устройств сравнения аналоговых сигналов,
аналоговых каналов связи, аналоговых показывающих и
регистрирующих измерительных приборов;
. группу аналого-цифровых преобразователей, а также аналоговых
устройств допускового контроля;
. множество цифровых устройств, содержащее формирователи импульсов,
преобразователи кодов, коммутаторы, специализированные цифровые
вычислительные устройства, устройство памяти, устройство
сравнения кодов, каналы цифровой связи, универсальные
программируемые вычислительные устройства - микропроцессоры,
микроЭВМ и др.;
. группу цифровых устройств вывода, отображения и регистрации,
которая содержит формирователи кодоимпульсных сигналов,
печатающие устройства записи на перфоленту и считывания с
перфоленты, накопители информации на магнитной ленте, на
магнитных дисках и на гибких магнитных дисках, дисплеи,
сигнализаторы, цифровые индикаторы;
. множество цифроаналоговых преобразователей;
. указанные функциональные блоки соединяются между собой через
стандартные интерфейсы или устанавливаются жесткие связи;
. интерфейсные устройства (ИФУ), содержащие системы шин,
интерфейсные узлы и интерфейсные устройства аналоговых блоков,
служащие главным образом для приема командных сигналов и передачи
информации о состоянии блоков. Например, через интерфейсные
устройства могут передаваться команды на изменение режима работы,
на подключение заданной цепи с помощью коммутатора;
. устройство управления, формирующее командную информацию,
принимающее информацию от функциональных блоков и подающее
команды на исполнительные устройства для формирования воздействия
на объект исследования (ОИ).
Однако не для всякой ИИС требуется присутствие всех блоков. Для каждой
конкретной системы количество блоков, состав функций и связи между блоками
устанавливаются условиями проектирования.
ИНТЕРФЕЙСЫ ИЗМЕРИТЕЛЬНЫХ СИСТЕМ
Общие понятия и определения
В настоящее время ИИС находят все более широкое применение в различных
областях науки и техники. Они применяются в качестве компонентов сложных
информационно-вычислительных комплексов и систем автоматизации. Особенно
важную роль играют автоматические ИИС, использующие ЭВМ для программного
управления работой системы.
Возросшие объемы проводимых измерений привели к широкому использованию
программно-управляемых СИ. При этом возросшие требования к характеристикам
СИ оказали существенное влияние на методы сопряжения устройств, образующих
ИИС.
Информационно-измерительные системы содержат ряд подсистем:
измерительную, сбора, преобразования, предварительной обработки данных и
подсистемы управления СИ в целом. Все подсистемы в ИИС соединены между
собой в единую систему. Кроме того, ИИС в настоящее время проектируют на
основе агрегатного (модульного) принципа, по которому устройства,
образующие систему, выполняются в виде отдельных, самостоятельных изделий
(приборов, блоков). В составе ИИС эти устройства выполняют определенные
операции и взаимодействуют друг с другом, передавая информационные и
управляющие сигналы через систему сопряжения.
Для унифицированных систем сопряжения между устройствами, участвующими
в обмене информации, стал общепринятым термин интерфейс (interface). Под
интерфейсом (или сопряжением) понимают совокупность схемотехнических
средств, обеспечивающих непосредственное взаимодействие составных элементов
ИИС (ГОСТ 15971—74). Устройства подсоединяются к системе сопряжения и
объединяются в ИИС по определенным правилам, относящимся к физической
реализации сопряжении. Конструктивное исполнение этих устройств,
характеристики вырабатываемых и принимаемых блоками сигналов и
последовательности выдаваемых сигналов во времени позволяют упорядочить
обмен информацией между отдельными функциональными блоками (ФБ).
Под интерфейсной системой понимают совокупность логических устройств,
объединенных унифицированным набором связей и предназначенных для
обеспечения информационной, электрической и конструктивной совместимости.
Интерфейсная система также реализует алгоритмы взаимодействия
функциональных модулей в соответствии с установленными нормами и правилами.
Возможны два подхода к организации взаимодействия элементов системы и
построению материальных связей между ними:
жесткая унификация и стандартизация входных и выходных параметров
элементов системы;
использование функциональных блоков с адаптивными характеристиками по
входам-выходам.
На практике часто сочетают оба подхода. Стандартизация интерфейсов
позволяет:
. проектировать ИИС различных конфигураций;
. значительно сократить число типов СИ и их устройств сопряжения;
. ускорить и упростить разработку отдельных СИ и ИИС в целом;
. упростить техническое обслуживание и модернизацию ИИС;
. повысить надежность ИИС.
Применение развитых стандартных интерфейсов при организации ИИС
позволяет обеспечить быструю компоновку системы и разработку программ
управления СИ.
Основной структурной единицей ИИС является функциональный блок ФБ,
который представляет собой один или несколько объединенных и
взаимодействующих между собой измерительных преобразователей.
Взаимодействие ФБ осуществляется через интерфейсные блоки ИБ по командам,
организующим обмен данными. Команды управления формируются в управляющем
блоке УБ и воздействуют на интерфейсные блоки через контроллер (К).
Между ФБ ИИС осуществляется обмен информационными и управляющими
сообщениями. Информационное сообщение содержит сведения о значении
измеряемого параметра, диапазоне измерения, времени измерения, результатах
контроля состояния измерительных каналов и др. Управляющее сообщение
содержит сведения о режиме работы ФБ, порядке выполнения ими
последовательности операций во времени, команде контроля состояния
измерительных каналов.
Интерфейс может быть общим для устройств разных типов, наиболее
распространенные интерфейсы определены международными, государственными и
отраслевыми стандартами. Стандарт (ГОСТ 26016—81 "Единая система стандартов
приборостроения. Интерфейсы, признаки классификации и общие требования")
включает четыре признака классификации: способ соединения комплектов
системы (магистральный, радиальный, цепочечный, комбинированный); способ
передачи информации (параллельный, последовательный, параллельно-
последовательный); принцип обмена информацией (асинхронный, синхронный);
режим передачи информации (двусторонняя одновременная передача,
двусторонняя поочередная передача, односторонняя передача).
Указанные признаки позволяют характеризовать только определенные
аспекты организации интерфейсов.
Более полная характеристика и систематизация интерфейсов могут быть
выполнены при условии классификации по нескольким совокупностям признаков:
функциональному назначению, логической функциональной организации и
физической реализации.
К основным характеристикам интерфейса относятся следующие:
функциональное назначение; структура или тип организации связей; принцип
обмена информацией; способ обмена данными; режим обмена данными;
номенклатура шин и сигналов; количество линий; количество линий для
передачи данных; количество адресов; количество команд; быстродействие;
длина линий связи; число подключаемых устройств; тип линии связи.
Соединение отдельных приборов и блоков между собой осуществляется
линиями связи или линиями интерфейса. Линии интерфейса могут объединяться в
группы для выполнения одной из операций в программно-управляемом процессе
передачи данных. Эти группы линий называются шинами интерфейса. Назначение
отдельных линий и шин, их номенклатура и взаимное расположение в системе
(топологии) являются базовыми при рассмотрении функционирования любого
интерфейса.
В отечественных и зарубежных микропроцессорных измерительно-управляющих
вычислительных системах (МП ИУВС) распространены асинхронные мультиплексные
интерфейсы с параллельным способом передачи информации: 8-разрядные
интерфейсы Microbus; 16-разрядные интерфейсы общая шина (Unibus), Microbus,
интерфейс микроЭВМ "Электроника 60" (Q-bus, LSI-11).
Для связи датчиков информации, исполнительных элементов, территориально
удаленных от процессора на десятки и сотни метров, в МП ИУВС применяют
интерфейсы периферийных устройств. В таких интерфейсах используются как
параллельный, так и последовательный способы обмена информацией. При этом
последний по причине существенного упрощения собственно линии связи, а
следовательно, и снижения стоимости наиболее предпочтителен, если при этом
обеспечивается необходимая скорость передачи информации.
В последнее время в связи с развитием микро- и мультипроцессорных ИУВС,
отдельные микропроцессоры или устройства ввода-вывода которых могут
отстоять друг от друга территориально на сотни метров (например, заводская
или цеховая ИУВС), все более широко применяются системные интерфейсы или
интерфейсы локальных сетей. Системный интерфейс, как правило, имеет
многоуровневую архитектуру (совокупность) аппаратных и программных средств.
Из зарубежных локальных сетей наиболее известны DEC net фирмы "Digital
Equipment Corp", z-net фирмы "Zilog Inc", сеть фирмы IBM, Om minet фирмы
"Corvus Inc" и др.
При построении ИИС, согласно ГОСТ 22316-77, должны применяться
следующие структуры соединения функциональных блоков между собой:
. цепочечное соединение, при котором единственный выход
предшествующего блока соединен с единственным входом
последующего блока, так что соединенные блоки образуют цепь;
. радиальное соединение, при котором один блок соединен
одновременно с несколькими блоками, причем с каждым из них
отдельной независимой линией;
. магистральное соединение, при котором входы и (или) выходы
сопрягаемых блоков соединены одной общей линией.
В цепочечной структуре каждая пара источник-приемник соединена попарно
линиями от выходов предыдущих ФБ ко входам последующих, обмен данными
происходит непосредственно между блоками или приборами. Функции управления
распределены между этими устройствами. Цепочечную структуру интерфейсов
используют, как правило, в несложных системах с несколькими функциональными
устройствами.
В системе, выполненной по радиальной структуре, имеется центральное
устройство - контроллер, с которым каждая пара источник-приемник связана с
помощью индивидуальной группы шин. Блоки и приборы, подключаемые к
контроллеру, могут изменять свои места при соответствующем изменении
программы работы контроллера. Под управлением контроллера происходит обмен
данными между каждым устройством и контроллером. Связи между управляющим
устройством и одним из устройств-источников или приемников сигналов может
осуществляться как по инициативе контроллера, так и по инициативе устройств
(абонентов). В последнем случае одно из устройств вырабатывает сигнал
запроса на обслуживание, а контроллер идентифицирует запрашиваемое
устройство. Когда контроллер готов к обмену данными, логически подключаются
цепи связи и начинается процесс обмена. Эти цепи остаются подключенными,
пока не будет передана нужная порция информации.
Контроллер может производить обмен данными только с одним из устройств.
В случае одновременного поступления запросов от двух и более абонентов по
системе приоритетов будет установлена связь с устройством, имеющим
наивысший приоритет. Приоритет присваивается приборам и блокам в
зависимости от их типа, технических характеристик и важности поступающей
информации. В интерфейсах с радиальной структурой чаще всего приоритет
зависит от места подключения кабеля, соединяющего абонент (ФБ) с
контроллером.
Радиальное соединение функциональных блоков позволяет достаточно просто
и быстро осуществлять адресацию и идентификацию требуемого ФБ.
К недостаткам радиальной структуры можно отнести большую длину
соединительных линий, а также сложность контроллера, что приводит к
увеличению стоимости ИС.
В системах с магистральной структурой вместо группы индивидуальных шин
имеются коллективные шины, к которым подсоединяются все источники и
приемники информации и контроллер.
По принципу обмена информацией интерфейсы подразделяют на параллельные,
последовательные и параллельно-последовательные. При параллельной передаче
цифровых данных численное значение величины, содержащее т битов,
транслируют по т информационным линиям. Это сообщение одновременно и
полностью может быть введено в интерфейс, а также воспринято приемником.
Интерфейсные устройства параллельного ввода-вывода информации позволяют
согласовать во времени процесс обмена данными между ЭВМ и периферийным
устройством.
Интерфейсные функции
Основные функции интерфейса заключаются в обеспечении информационной,
электрической и конструктивной совместимости между функциональными
элементами системы
Информационная совместимость - это согласованность взаимодействий
функциональных элементов системы в соответствии с совокупностью логических
условий. Логические условия определяют:
. структуру и состав унифицированного набора шин;
. набор процедур по реализации взаимодействия и последовательности
их выполнения для различных режимов функционирования;
. способ кодирования и форматы данных, команд, адресной информации
и информации состояния;
. временные соотношения между управляющими сигналами.
Логические условия информационной совместимости определяют
функциональную и структурную организацию интерфейса и для большинства
интерфейсов стандартизируются. Условия информационной совместимости
определяют объем и сложность схемотехнического оборудования и программного
обеспечения, а также основные технико-экономические показатели (пропускную
способность и надежность интерфейса).
Электрическая совместимость — это согласованность статических и
динамических параметров передаваемых электрических сигналов в системе шин,
с учетом используемой логики и нагрузочной способности элементов.
Условия электрической совместимости определяют:
. тип приемопередающих элементов;
. соотношение между логическим и электрическим состояниями сигналов
и пределы их изменения;
. коэффициенты нагрузочной способности приемопередающих элементов;
. схему согласования линии;
. допускаемую длину линии и порядок подключения линий к разъемам;
. требования к источникам и цепям электрического питания;
. требования к помехоустойчивости и заземлению.
Условия конструктивной совместимости определяют:
. типы соединительных элементов (разъем, штекер);
. распределение сигналов интерфейса по контактам соединительных
элементов;
. типы конструкции платы, каркаса, стойки;
. конструкции кабельного соединения.
Выполнение информационных электрических и конструктивных условий
интерфейса необходимо, но не достаточно для взаимного сопряжения устройств
и обмена данными между ними. Эти устройства должны выполнять в определенной
последовательности операции, связанные с обменом информации: распознавать
адрес сообщения, подключаться к линиям интерфейса, передавать сообщение в
интерфейс, принимать его из интерфейса и др.
Интерфейсные функции отличаются от приборных, связанных непосредственно
с проведением измерения, т. е. с преобразованием данных, их накоплением,
первичной обработкой, представлением и др.
Интерфейсные функции обеспечивают совместимость друг с другом различных
приборов, не ограничивая работоспособность других приборов в системе.
Функции, которые устройства выполняют чаще всего, называются основными. К
ним относятся:
. выдача и прием информации (выполняются источниками и приемниками
информации);
. управление передачей данных (функция контроллера);
. согласование источника информации (выполняется устройством-
источником или контроллером);
. согласование приемника информации (выполняется устройством-
приемником или контроллером).
Функции контроллера может выполнять не только одно, но и несколько
устройств в системе.
Основные функции интерфейса, которые необходимо реализовать для
обеспечения информационной совместимости, определяются функциональной
организацией интерфейса. На канал управления возложены функции селекции
информационного канала, синхронизации обмена информацией, координации
взаимодействия, а на информационный' канал возлагаются функции буферного
хранения информации, преобразования формы представления информации и др.
Селекция, или арбитраж, информационного канала обеспечивает
однозначность выполнения процессов взаимодействия сопрягаемых элементов
системы.
Анализ возможных вариантов реализации способов селекции устройств на
информационной магистрали позволяет выделить следующие операции селекции:
инициирование запроса, выделение приоритетного запроса, идентификация
запроса.
Инициирование запроса включает в себя процедуры выдачи, хранения и
восприятия запроса на организацию процесса взаимодействия. Сигналы запроса
могут храниться в регистре управляющего блока (радиальная структура шины
запроса) или на отдельных триггерах каждого интерфейсного блока
(магистральная структура шины запроса).
Функция выделения приоритетного запроса осуществляется на основе
анализа сигналов занятости информационного канала, разрешения приоритетного
прерывания, запроса источника сообщения и зависит от числа уровней
приоритета.
Идентификация запроса заключается в определении адреса приоритетного
источника запроса. В машинных интерфейсах получаемая при запросе адресная
информация называется вектором прерывания. Последний обозначает начальный
адрес программы обслуживания прерывания от данного устройства.
Функция синхронизации определяет временное согласование процессов
взаимодействия между функциональными устройствами системы.
Функция координации определяет совокупность процедур по организации и
контролю процессов взаимодействия устройств системы. Основными операциями
координации являются настройка на взаимодействие, контроль взаимодействия,
передача функций управления (настройки) .
В момент обращения одного устройства к вызываемому последнее может
находиться в состоянии взаимодействия или в нерабочем состоянии. Поэтому
процессы взаимодействия элементов системы могут иметь два уровня
конфликтных ситуаций при доступе: к информационному каналу интерфейса и к
устройству системы. Таким образом, операция настройки включает процедуры
опроса и анализа состояния вызываемого устройства, а также передачи команд
и приема информации состояния. Последовательность операций настройки может
быть различной и зависит от сложности алгоритмов работы функциональных
устройств системы. В большинстве случаев алгоритмы настройки дополняются
программным способом посредством передачи кодов команд и состояний по
информационной шине.
Операции контроля направлены на обеспечение надежности функционирования
интерфейса и достоверности передаваемых данных. В процессах асинхронного
взаимодействия возможно возникновение так называемых тупиковых ситуаций,
приводящих к искажениям кодовых комбинаций передаваемых данных. Поэтому в
операции контроля входят разрешение тупиковых ситуаций асинхронного
процесса взаимодействия и повышение достоверности передаваемых данных.
Контроль тупиковых ситуаций взаимодействия основывается на измерении
фиксированного интервала времени, в течение которого должно поступать
ожидаемое асинхронное событие. Если за контролируемый интервал времени
событие не поступает, то фиксируется неисправность. Операция контроля
тупиковых ситуаций получила название "тайм-аут".
Контроль передаваемых данных основывается на использовании кодов,
построенных на известных принципах избыточного кодирования информации
(циклические коды, код Хеминга, контроль кодов на четность и др.).
В целях повышения надежности управления и эффективности использования
составных элементов системы необходима передача функции координации между
функциональными устройствами. Эта операция передачи управления характерна
для интерфейсов с децентрализованной структурой управления.
Повышение надежности достигается резервированием управления (при
отключении питания или отказе интерфейсного модуля, выполняющего функции
управления интерфейсом).
Повышение эффективности использования оборудования системы достигается
исключением дублирования дорогостоящих устройств путем доступа к ним с
разделением времени двух и более контроллеров и ЭВМ.
Информационный канал интерфейса предназначен для реализации функции
обмена и преобразования информации.
Основными процедурами функции обмена является прием и выдача информации
(данных, состояния, команд, адресов) регистрами составных устройств
системы. Основные процедуры функции преобразования следующие:
преобразование последовательного кода в параллельный и наоборот;
перекодирование информации; дешифрация команд, адресов; логические действия
над содержимым регистра состояния.
Приборные интерфейсы
Проектирование ИИС выполняется на основе модульного принципа
построения, что привело к необходимости разработки правил, регламентирующих
основные требования к совместимости этих блоков. Данный принцип впервые был
применен в области ядерно-химических измерений, где требуется сложная
аппаратура с высокой степенью автоматизации и активным использованием ЭВМ
для контроля, управления, сбора и первичной обработки данных. Поэтому
именно в этой области впервые проведена стандартизация на правила
сопряжения блоков.
В США для модулей (блоков) ядерной электроники с транзисторными схемами
в 1966 г. был принят стандарт NIM (Nuclear Instrument Module). В нем
установлены механические и электрические требования к блокам. Этот стандарт
впоследствии получил распространение в странах Западной Европы. Указанный
стандарт позволил осуществить обмен данными модульных блоков с ЭВМ. Следует
отметить, что такие понятия, как канал передачи данных и интерфейс, процесс
обмена данными и др., были перенесены из вычислительной в измерительную
технику.
Реализация принципов программного управления работой ИИС привела к
развитию приборных систем; разработки интерфейсов для них появились на
рубеже 60 - 70-х годов. Приборные интерфейсы служат для компоновки
различных комплексов из стандартных измерительных приборов, устройств ввода-
вывода и управляющих устройств.
Пример, фирма "Philips" разработала систему сопряжения Partyline -
System, предназначенную для объединения в ИИС до 15 приборов. С помощью
стандартного кабеля приборы последовательно соединяются друг с другом (в
произвольном порядке) и с ЭВМ. Для этого в каждом приборе имеются два
разъема, соединенные между собой одноименными контактами. Каждый прибор
содержит специальное устройство согласования измерительного оборудования с
интерфейсом.
Построение интерфейса осуществляется по магистральному принципу для
передачи цифровых сигналов. Информация передается по шести шинам: адресной
(4 линии), измерительной (5 линий), управления (4 линии), а также по шинам
синхронизации, диагностики операций и передачи команд печати (все по одной
линии). Стандартный кабель содержит шесть соединительных линий. Каждому
прибору (измерительному блоку) присваивается свой адрес, представленный
четырьмя разрядами двоичного кода. Передача данных производится в
параллельно-последовательном виде (в двоичном коде). Под действием
управляющих сигналов выходная информация последовательно передается с декад
на линии интерфейса (измерительную шину). По этим же линиям передается
кодированная информация, а также полярность измеряемых величин, режим
работы и др.
Принцип работы приборного интерфейса следующий. При появлении
информации от источника к приемнику работа обоих приборов координируется
сигналами по линиям шины синхронизации. При этом цикл передачи информации
состоит из четырех фаз:
. источник выставляет информационный байт;
. источник выставляет сигналы на шине синхронизации;
. приемник принимает информацию,
. приемник подготавливается к приему нового байта информации.
Приборный интерфейс имеет следующие ограничения: число приборов не
более 15, максимальная допустимая длина кабеля связи — 20 м, максимальная
скорость передачи по магистрали - 1 Мбайт/с.
Логические уровни сигналов выбраны из расчета применения интегральных
схем ТТЛ (высокий уровень — не менее 2,4 В, низкий — не более 0,8 В).
Нагрузкой каждой сигнальной линии является внутреннее сопротивление каждого
прибора не более 3 кОм, подключенное к шине + 5 В, и резистор 6,2 кОм,
подключенный к шине "земля" схемы. Кодирование информации, как следует из
конструкции магистрали, ведется по байтам. Схемы интерфейса программно-
управляемых приборов выполняются в двух вариантах:
в виде схем, реализованных и конструктивно оформленных внутри прибора
как его составная часть, с установкой стандартного разъема на задней панели
прибора; этот вариант применяется преимущественно в новых приборах,
выпускаемых по стандарту МЭК;
в виде отдельно выполненных интерфейсных модулей, подключаемых к
серийно выпускаемым или находящимся в обращении цифровым приборам и
устройствам; эти модули по существу являются адаптерами, т. е. переходными
устройствами между выходом прибора и стандартным входом в магистраль
приборного интерфейса.
Приборный интерфейс широко применяется как в отечественной
промышленности, так и зарубежными фирмами при построении ИИС для
автоматизации эксперимента. Из имеющихся непрограммируемых приборов, не
подготовленных для совместной работы, приборный интерфейс позволяет
создавать ИС путем использования относительно несложных устройств
сопряжения — интерфейсных плат и микроЭВМ в качестве контроллера системы.
Машинные интерфейсы
Машинные (или системные) интерфейсы предназначены для объединения
составных блоков ЭВМ в единую систему. Тенденция развития машинных
интерфейсов вызвана необходимостью значительного увеличения процента
операций ввода-вывода, номенклатуры и числа периферийных устройств. В связи
с этим существенно возросли требования к унификации и стандартизации
интерфейсов.
Характерной особенностью машинных интерфейсов является необходимость их
функционирования в нескольких режимах взаимодействия, влияющих на
функциональный состав систем шин. Основными режимами взаимодействия
являются ввод-вывод по программному каналу и по каналу прямого доступа в
память.
Заключение
Повышение производительности труда человека – это заслуга механизации.
Уже долгое время она облегчает задачи человека, но не может полностью
освободить его от ручного труда или присутствия на рабочем месте. Такие
вещи, как оценка результатов контроля и решения вопроса о дальнейшей судьбе
проверенной детали - забраковать ее или отправить на доработку, были
только в компетенции человека, что требовало затрат умственного труда и
относятся к сфере управления производством. Очевидно, эти функции тоже
можно упразднить, заменив человека механизмами способными самостоятельно
решать данные проблемы. Переложение функций управления процессом с человека
на автоматические устройства стало началом нового времени – эры
автоматизации.
Стремительное развитие электроники и вычислительной техники оказалось
предпосылкой для широкой автоматизации самых разнообразных процессов в
промышленности, в научных исследованиях, в быту. Вершиной автоматизации
стало появление автоматизированных измерительных и диагностических
комплексов, которые позволили полностью заменить человека, как важного
элемента любого производственного или научно-исследовательского процесса.
Опираясь на возможности таких систем и комплексов, человечество поднялось
на еще одну ступень в бесконечном стремлении взойти на вершину технического
совершенства.
Список литературы.
1. Цапенко М. П. Измерительные информационные системы: Структуры и
алгоритмы, системотехническое проектирование. - М.: Энергоатомиздат,
1985
2. Кузьмичев Д. А., Радкевич И. А., Смирнов А. Д. Автоматизация
экспериментальных исследований. - М.: Наука, 1983.
3. Государственная система приборов и средств автоматизации / Под ред. Г.
И. Кавалерова. - М.: ЦНИИТЭИ приборостроения, средства автоматизации
и систем управления,1981.
4. Хазанов Б. И. Интерфейсы измерительных систем. - М.: Энергия, 1979.
5. Алиев Т. М., Тер-Хачатуров А.А. Измерительная техника: Учебное пособие
для техн. вузов. - М.: Высш. шк.,1991.
