Ключев А.О., Ковязина Д.Р., Кустарев П.В., Платунов А.Е. Аппаратные и программные средства встраиваемых систем

Подождите немного. Документ загружается.

ресурсов. В идеале она должна взаимодействовать со средой в течение

всей жизни объекта.

Как правило, встроенная система является частью более крупной системы

или встраивается непосредственно в объект управления. Встроенные системы –

это системы «глубоко интегрированные» с объектами физического мира [21].

Их элементы практически всегда ограничены по ресурсам. Это системы

длительного жизненного цикла

, часто автономные. Масштаб этих систем по

размерам и сложности меняется в очень широких пределах. Эти системы

рассчитаны на непрофессиональных пользователей и вместе с тем, часто

выполняют критически важные функции.

Встраиваемые вычислительные системы можно классифицировать:

• по области применения/назначению;

• по различному соотношению информационных и управляющих

функций, т.е. система

преимущественно информационная (система

сбора данных) или управляющая (система автоматического

управления);

• по пространственной локализации аппаратных блоков:

a) пространственно локализованные;

b) пространственно рассредоточенные.

• по различному соотношению вычислительной (обработка данных) и

коммуникационной (функция ввода-вывода данных) составляющей;

• по степени участия человека:

a) автоматические системы – системы, в которых оператор выполняет

только функции

начальной настройки и оперативной корректировки

параметров и режимов работы системы. Функции сбора данных,

передачи и исполнения команд управления, оперативной выработки

команд управления происходят без участия человека;

b) автоматизированные системы – системы, в которых оператор

частично или в полном объеме обеспечивает оперативную обработку

данных и формирование команд управления исполнительными

устройствами (например, телеуправление).

• по организации обработки данных/вычислений (централизованные/

децентрализованные);

• по распараллеливанию на уровне задач и/или функций между

физическими/логическими модулями системы.

Особенность работы встроенной системы состоит в наличии

необходимости работы в реальном масштабе времени (или просто в реальном

времени).

ВВС

Объект

управления

Информация

с датчиков

Управление

исполнительным

устройством

Исполнительное

устройство

Датчик

t1 t2 t3

Рисунок 1. Работа в реальном масштабе времени

На рисунке показано три времени: t1 – время получения сигнала с датчика,

t2 – время выдачи управляющего воздействия на исполнительное устройство, t3

– крайний срок выдачи управляющего воздействия. Если по какой-либо

причине выдача управляющего сигнала задержится, сигнал будет выработан

после t3, управляющий сигнал будет бесполезен или даже вреден. В качестве

пример рассмотрим систему управления стеклоподъемником в

автомобиле.

Если ВВС игнорирует сигнал датчика положения стекла, либо стекло, либо

подающий стекло механизм могут быть испорчены.

1.1.2 Примеры встраиваемых систем

Диапазон реализаций ВВС, действительно, очень велик. В него попадают и

простейшие устройства уровня домашнего таймера, и сложнейшие

распределенные иерархические системы, управляющие критически важными

объектами на огромных территориях.

• Телекоммуникационные системы

, сетевое оборудование (коммутаторы,

маршрутизаторы, ADSL модемы и т.п.);

• Бытовая электроника (сотовые телефоны, КПК, игровые консоли,

цифровые фотоаппараты, электрочайники, микроволновые печи,

посудомоечные машины и пр.);

• Современное медицинское и спортивное оборудование;

• Транспортная автоматика (от автомобильных до авиационных систем),

авионика, системы управления городским дорожным движением;

• Системы телемеханики (системы управления

наружным освещением,

контроля и учета электроэнергии и других энергоресурсов, управления

и мониторинга энергообъектов);

• Системы мониторинга, навигации, слежения, бортовые системы для

военных и космических применений;

• «Умный дом» («интеллектуальное здание») на основе технологий

сенсорных сетей.

Важно, что, проектируя ВВС, разработчик всегда создает

специализированную вычислительную систему независимо от степени

соотношения готовых и заново создаваемых решений. В сферу его анализа

попадают все уровни организации

системы. Он имеет дело не с созданием

приложения в готовой операционной среде при наличии мощных и удобных

инструментальных средств, а с созданием новой специализированной ВС в

условиях жестких ограничений самого разного плана.

Безусловно, часть задач в области создания ВВС удается решать

шаблонными способами, особенно если речь идет о развитии или модификации

уже готовой системы. Но даже в этом случае требуется использование

качественной вычислительной платформы, мощного специализированного

инструментария, тщательная верификация и тестирование продукта.

Задачи создания ВВС, которые не укладываются по тем или иным

причинам в рамки шаблонных решений, постоянно требуют

совершенствования методов и средств проектирования.

1.1.3 Реальное время

Система реального времени – вычислительная система

с гарантированным

временем реакции на события [21].

Система реального времени (СРВ) – любая вычислительная система, в

которой время формирования выходного воздействия является существенным.

Примеры СРВ: управление технологическими процессами, встроенные

вычислительные системы, кассовые торговые системы и т.д.

Принципиальное отличие информационных систем (Information

Technology) от систем реального времени (real-time) в трактовке параметра

«реакция вход-выход»: «The right answer late is wrong» («

Правильный ответ

поздно = неправильный»).

К особенностям встроенных систем относится необходимость обеспечения

надежности, безопасности и гарантированного времени реакции. Соблюдения

гарантированного времени ответа обычно называют работой в реальном

времени.

ВВС получает информацию об объекте управления посредством датчиков.

В ответ на полученную информацию ВВС вырабатывает управляющее

воздействие и передает и объекту управления через устройство

сопряжения с

объектом. Время, протекающее между получением информации от объекта

управления и выдачей сигнала управления от встроенной системы, мы назовем

временем реакции.

Система реального времени не должна быть обязательно быстрой. Это

распространенное заблуждение. Система реального времени должна выдавать

управляющие сигналы в ответ на информацию, поступающую от датчиков в

гарантированные промежутки времени.

По степени важности последствий несоблюдения времени реакции обычно

выделяют две группы систем реального времени:

• Система мягкого реального времени;

• Система

жесткого реального времени.

Система мягкого реального времени (soft real-time system) – задержки

задаются средними величинами. Имеет место в организации бизнес-процессов

и в торговле.

Система жесткого реального времени - это система реального времени,

невыполнение временных ограничений в которой приводит к

катастрофическим последствиям для целевой функции системы. Имеет место в

случае военных и космических применений.

1.1.4 Надежность

Надежность – свойство объекта выполнять заданные функции, сохраняя во

времени значения установленных эксплуатационных показателей в заданных

пределах, соответствующим заданным режимам и условиям использования,

технического обслуживания, ремонта, хранения и транспортирования [29].

Надежность является комплексным свойством, которое в зависимости от

назначения объекта и условий его эксплуатации может включать в себя

безотказность, долговечность, ремонтопригодность и

сохраняемость в

отдельности или определённое сочетание этих свойств как для объекта (здесь

под объектом понимается определённое средство измерения), так и для его

частей.

Показатель надежности количественно характеризует, в какой степени

данному объекту присущи определенные свойства, обусловливающие

надежность. Одни показатели надежности (например, технический ресурс, срок

службы) могут иметь размерность, ряд других (например

, вероятность

безотказной работы, коэффициент готовности) являются безразмерными.

Живучесть – свойство объекта сохранять работоспособность (частично или

полностью) при наличии дефектов или повреждений определенного вида.

Работоспособное состояние (работоспособность) – состояние объекта, при

котором значения всех параметров, характеризующих способность выполнять

заданные функции, соответствуют требованиям нормативно-технической и

(или) конструкторской (проектной) документации.

Отказ – событие, заключающееся в

нарушении работоспособного

состояния объекта. Критерий отказа – отличительный признак или

совокупность признаков, согласно которым устанавливается факт

возникновения отказа.

Типы отказов:

• Отказы функционирования (выполнение основных функций объектом

прекращается, например, поломка зубьев шестерни);

• Отказы параметрические (некоторые параметры объекта изменяются в

недопустимых пределах, например, потеря точности станка).

Природа отказов:

• Случайные, обусловленные непредусмотренными перегрузками,

дефектами материала, ошибками персонала или сбоями системы

управления и т. п.;

• Систематические, обусловленные закономерными и неизбежными

явлениями, вызывающими постепенное накопление повреждений:

усталость, износ, старение, коррозия и т. п.

Основные признаки классификации отказов:

• Характер возникновения;

• Причина возникновения;

• Характер устранения;

• Последствия отказов;

• Дальнейшее использование объекта;

• Легкость обнаружения;

• Время возникновения.

Характер возникновения

отказов:

• Внезапный отказ – отказ, проявляющийся в резком (мгновенном)

изменении характеристик объекта;

• Постепенный отказ – отказ, происходящий в результате медленного,

постепенного ухудшения качества объекта.

Внезапные отказы обычно проявляются в виде механических повреждений

элементов (трещины – хрупкое разрушение, пробои изоляции, обрывы и т. п.) и

не сопровождаются предварительными видимыми признаками их

приближения. Внезапный

отказ характеризуется независимостью момента

наступления от времени предыдущей работы.

Постепенные отказы связаны с износом деталей и старением материалов.

Причина возникновения отказов:

• Конструкционный отказ, вызванный недостатками и неудачной

конструкцией объекта;

• Производственный отказ, связанный с ошибками при изготовлении

объекта по причине несовершенства или нарушения технологии;

• Эксплуатационный отказ, вызванный нарушением правил

эксплуатации.

Характер устранения отказов:

• Устойчивый отказ;

• Перемежающийся отказ (возникающий/исчезающий). Последствия

отказа – легкий отказ (легкоустранимый);

• Средний отказ не вызывает отказы смежных узлов (вторичные отказы);

• Тяжелый отказ вызывает вторичные отказы или приводит к угрозе

жизни и здоровью человека.

По дальнейшему использование

объекта отказы делятся на:

• Полные отказы, исключающие возможность работы объекта до их

устранения;

• Частичные отказы, при которых объект может частично использоваться.

По легкости обнаружения отказы могут быть очевидными (явными) и

скрытыми (неявными).

По времени возникновения отказы бывают:

• Приработочными, то есть возникающими в начальный период

эксплуатации;

• Возникающими

при нормальной эксплуатации;

• Износовые, то есть вызванные необратимыми процессами износа

деталей, старения материалов и пр.

1.1.5 Распределенные встроенные системы

Распределенная встроенная система – пространственно рассредоточенная

встроенная система. Такие системы характеризуются наличием слабой связи

между компонентами.

Тенденция усложнения ВВС проявляется, прежде всего, в том, что

большинство систем реализуются в виде многопроцессорных распределенных

вычислительных систем или контроллерных сетей. Это дополнительно

усложняет задачу проектировщика. Рассмотрим основные свойства

современных распределенных ВВС.

Множество взаимодействующих узлов (более двух). Интерес сегодня

представляют системы с единицами тысяч взаимодействующих встроенных

компьютеров.

Работа в составе систем управления без участия человека. В таких

системах оператор может присутствовать, он может получать информацию и

частично

иметь возможность воздействовать на работу системы, однако

основной объем управления выполняет распределенная ВВС.

Степень функциональной и пространственной децентрализации

управления может меняться в широких пределах. Вычислительные элементы

ВВС выполняют задачи, отличные от задач вычислений и коммуникаций

общего назначения. Распределенные ВВС используются в составе больших по

масштабу технических объектов (например, самолет или здание) или

взаимодействуют с объектами естественной природы (например, комплексы

мониторинга окружающей среды).

Распределенные

ВВС могут характеризоваться узлами с ограниченным

энергопотреблением, иметь фиксированную или гибкую топологию, выполнять

критичные для жизнедеятельности человека функции, требовать

высокотехнологичной реализации или создаваться как прототип.

1.1.6 Пирамида автоматизации

Пирамида автоматизации (Computer Integrated Manufacturing pyramid) –

модель, объединяющая все сферы деятельности современного предприятия в

единую информационную среду [9, 10, 17].

Объединение всех уровней в единую систему позволяет:

1. Оптимизировать используемую

информацию за счет централизации и

упорядочивания потоков данных.

2. Интегрировать бизнес процессы, процессы управления материалами,

разработками и производством в единую систему.

3. Получить доступ ко всем данным, существующим на предприятии для

анализа с целью оптимизации управленческих процессов.

Результатом внедрения систем комплексной автоматизации является

снижение себестоимости продукции, существенное увеличение качества и

снижение длительности циклов производства. Количество уровней пирамиды

автоматизации обычно колеблется от трех до пяти. Существуют разные

трактовки одних и тех же терминов в различных системах. В трехуровневой

модели CIM есть уровни стратегического планирования, тактического

исполнения и управления операциями. В четырехуровневой модели есть

уровни данных, управления, устройств и датчиков и исполнительных

устройств. Мы

рассмотрим CIM на примере пятиуровневой модели [17].

Верхние уровни пирамиды автоматизации часто строятся по принципам,

применимым для обычных информационных систем. Не все системы содержат

все пять уровней. Простые системы могут содержать в себе один или несколько

нижних уровней пирамиды.

1.1.6.1 Уровень предприятия (1)

Верхний уровень отвечает за следующие вещи:

• Управление ресурсами (ERP, MRP, MRP II, JIT)

• Управление производством изделий (FMS)

• Управление продукцией (PDM)

• Планирование и прогнозирование (OLAP)

• Разработка новых изделий (CAD/CAM, CAE)

Рисунок 2. Пирамида автоматизации

На этом уровне мы имеем обычную корпоративную сеть (на базе Ethernet,

HSE FIELDBUS, ATM и т.п.), состоящую из комплекса ЛВС общего

назначения, файловых серверов, СУБД и различных систем автоматизации.

Уровень характеризуется сравнительно низкими требованиями к надежности и

безопасности к оборудованию. Возможно использование офисных

компьютеров для рабочих станций и серверов. Оборудование функционирует в

обычных

офисах.

1.1.6.2 Уровни объекта (2) и подсистемы (3)

Следующие два уровня отвечают за управление технологическими

процессами. Более верхний уровень отвечает за крупные промышленные

объекты. Более мелкий – за сравнительно небольшие технологические

процессы (составные части крупных). На небольших предприятиях эти два

уровня сливаются в один уровень управления. На уровне объекта и подсистемы

систему управления строят на базе сети CellBus. В большинстве случаев

это

обычный Ethernet или HSE FIELDBUS. В узлах сети CellBus находятся SCADA-

системы (Supervisory Control and Data Acquisition). SCADA-системы уровня

объекта управляют SCADA-системами уровня подсистемы. Компьютерное

оборудование этих двух уровней, как правило, находится в защищенных

помещениях (например, в диспетчерских).

1.1.6.3 Уровень функциональных узлов (4)

Уровень функциональных узлов предназначен для управления агрегатами,

т.е. некими сложными, составными механизмами. Главным элементом этого

уровня являются логические контроллеры – вычислительные модули,

управляющие, задающие логику функционирования и координирующие работу

этих агрегатов (в конечном счете, объектов управления). В качестве логических

контроллеров обычно выступают программируемые логические контроллеры

(ПЛК или PLC), промышленные компьютеры и

сетевые модули ввода-вывода.

Алгоритм работы задается программным обеспечением логического

контроллера. Программирование обычно осуществляется конечным

пользователем – не разработчиком системы – на специальных

«технологических» языках (например, на языке релейных схем,

функциональных блоков и других). В пределах этого уровня используются

сети, входящие в категорию DeviceBus. Связь со SCADA-системами

осуществляется через сети Fieldbus.

1.1.6.4 Уровень оборудования функциональных узлов (5)

Самый нижний уровень предназначен для сбора информации с датчиков и

управления исполнительными устройствами [25]. На этом уровне работают

интеллектуальные устройства сопряжения с объектом (УСО) или сетевые

модули ввода-вывода. В качестве сети используются сети SA Bus (Sensor

Actuator). К оборудованию последних двух уровней предъявляются

повышенные требования к надежности и безопасности. Контроллеры и сети

находятся в

непосредственной близости от объекта управления, подвержены

действию различных помех, агрессивных сред и вибраций.

1.1.6.4.1 Устройства ввода-вывода

Обычно, в ВВС устройство ввода-вывода (УВВ) содержит некоторое

количество дискретных и аналоговых входов и выходов.

Система ввода-вывода является тем блоком, ради которого обычно

делается информационно-управляющая система. Если «лицом» офисной

системы (если так можно выразиться) является дисплей с соответствующей

графической оболочкой (десктопом), то «лицом» ИУС является система ввода-

вывода. Системы ввода вывода могут быть весьма сложны по конструкции и

дороги по цене. Очень часто, в системы ввода-вывода встраиваются

дополнительные электронные, электрические и электромеханические

устройства для защиты объекта управления или ИУС в различных нештатных

ситуациях.

1.1.6.4.2 Устройство сопряжения с объектом

Устройства сопряжения с объектом (УСО), которые также называют

модулями ввода-вывода, выполняют функции адаптера датчиков и

исполнительных устройств. Они имеют специальные аппаратные каскады

сопряжения с оконечными устройствами и поддерживают алгоритмы

управления ими. УСО могут выполнять функции первичной обработки данных

с датчиков: фильтрацию, усреднение и накопление. УСО являются

подчиненными по отношению

к логическим контроллерам и самостоятельно не

реализуют каких-либо алгоритмов контроля объекта управления. По способу

взаимодействия с логическим контроллером УСО делятся на:

• Локальные УСО, конструктивно совмещенные с логическим

контроллером;

• Удаленные или сетевые УСО, взаимодействующие с логическим

контроллером по сетевому каналу, конструктивно независимые от

логических контроллеров.

В отличие от УВВ

, УСО работает с реальным объектом в условиях помех,

высоких напряжений и больших токов (например, управление двигателем

переменного тока). Как правило, это устройство гальванически развязано с

объектом управления. В качестве УСО могут выступать дискретные (битовые)

входы и выходы, аналоговые входы и выходы и т.п. Без гальванической

развязки управляющий вычислительный комплекс

будет либо постоянно

сбоить из-за помех, либо сгорит при появлении повышенного напряжения на

входе УСО.

Устройство сопряжения с объектом является водоразделом, отделяющим

«тепличный» мир вычислительного устройства от достаточно агрессивной

окружающей среды. УСО должно не только сопрягать различные уровни

сигналов, например 24 Вольт необходимые для включения реле и 5 Вольт (TTL

уровень) на

выходе битового порта ввода-вывода микроконтроллера, но и не

пропускать высокие напряжения во внутренние цепи контроллера.

В некоторых системах (например, в медицинских) главным является

сохранение объекта управления, т.к. от этого напрямую зависит жизнь

человека. Такие системы тестируются на степень защиты человека от

электрической травмы из-за некорректной работы УСО.

1.2 Механизмы реального времени

1.2.1 Таймер

Таймер позволяет производить отсчет временных интервалов заданной

продолжительности. Принцип действия таймера основан на двоичном счетчике,

с возможностью предварительной записи исходного значения. После каждого