Петросьянц В.В. Измерительно-вычислительные комплексы (канал общего пользования)

Подождите немного. Документ загружается.

работан для программируемых и непрограммируемых электронных измери-

тельных приборов и будет подробно рассмотрен во второй главе.

Системы первого типа могут быть скомпонованы потребителем само-

стоятельно. При этом достигаются высокие и стабильные метрологические ха-

рактеристики, быстродействие, степень подавления помех. Однако структура

избыточна: имеется блок сопряжения системного и приборного интерфейсов

(ИВК-7, ИВК-8, ИВК-12, ИВК-15).

Во втором варианте обеспечивается гибкость и возможность нара-

щивания системы, а ее функциональные возможности и технические характе-

ристики максимально согласуются с требованиями эксперимента. Однако крей-

товая организация (крейт-совокупность объединенных в единую конструкцию

25 ячеек-модулей, контроллера крейта, интерфейсной шины с 86-контактными

разъемами и источника питания) усложняет и удорожает систему. Поэтому

применение ИВК на базе КАМАК оправдано в основном для автоматизации

научных исследований, когда, с одной стороны, каждый раз приходится решать

сложные, но единичные задачи, а с другой - автоматизация необходима. Вы-

пускаются следующие ИВК КАМАК: ИВК-2, ИВК-6, ИВК-10, ИВК-16 и др.

Третий вариант построения систем целесообразен для автоматизации ре-

шения типовых, часто повторяющихся задач в различных отраслях народного

хозяйства, а также специфических, но часто повторяющихся задач в одной или

нескольких отраслях. Например, К750, К754, К755, К756.

Для АСЭТ принята единая система несущих конструкций. Основной не-

сущей конструкцией является плата типа "Европа-2". Для обеспечения инфор-

мационной совместимости на всех уровнях принята совокупность стандартных

интерфейсов: на первом уровне - магистральный параллельный асинхронный

16-разрядный интерфейс И-41 ОСТ 25.969-83 ( аналог MULTIBUS, разработан-

ный фирмой Intel) [3], организованный по принципу " Общей шины", допус-

кающий мультипроцессорный режим работы со средствами ввода - вывода и

хранения информации (логические и электрические условия соответствуют ре-

комендациям МЭК); на втором уровне - приборный магистральный интерфейс

МЭК 625-1 ГОСТ 26.003-80 ( согласование с нижним уровнем осуществляется

при помощи модуля сопряжения, а приборы подключаются непосредственно);

на системном уровне - магистральный сетевой интерфейс ГОСТ 26.139-84 (МЭК).

Таким образом, агрегатные средства позволяют строить разнообразные

ИВК по принципу блочно-модульного конструирования методами проектной

компоновки с полностью программируемыми функциями всех измерительных

каналов, т.е. гибкие системы с наращиваемой измерительно-вычислительной

мощностью. Такой способ построения ИВК значительно упрощает и сокращает

сроки создания систем.

1.2. Программное обеспечение ИВК

Уровень и пути развития ИВК во многом определяются программным

обеспечением (ПО): совокупностью программ, используемых при подготовке и

решении задач, управлении, проектировании и проверке работоспособности

элементов системы. Программное управление, т.е. управление функционирова-

нием системы путем изменения программы, обеспечивает логическую гибкость

и многофункциональность ИВК.

В соответствии с функциями, выполняемыми его компонентами, ПО ИВК

можно разбить на два вида: общее и специальное (рис. 2).

Общее ПО включает в себя: ПО управления - совокупность программ,

предназначенных для управления функционированием системы (вычислитель-

ный процесс, ввод - вывод, контроль работоспособности системы и ее модулей)

в процессе реализации прикладных измерительных программ и при разработке

новых программ; ПО разработки программ - совокупность программ, исполь-

зуемых в качестве вспомогательных средств на всех этапах разработки про-

грамм ( от ввода программ на языках высокого уровня до проверки функцио-

нирования программ в реальном масштабе времени).

Рис. 2. Структура программного обеспечения ИВК

Специальные ПО обычно реализуются в виде пакетов прикладных про-

грамм (ППП);

ППП стандартного математического обеспечения - совокупность программ реа-

лизации стандартных методов (математической статистики, вычислительной матема-

тики, интегрального исчисления и др.) при решении различных прикладных задач;

ППП специального назначения - совокупность программ, раз-

рабатываемых для решения задачи или класса задач (определенного вида изме-

рительного эксперимента или совокупности экспериментов), как правило, на

базе ППП стандартного математического обеспечения;

ППП метрологического обеспечения - совокупность программ аттестации

измерительных средств ИВК (измерительные модули, каналы, алгоритмы) в ав-

томатическом режиме в процессе эксплуатации системы.

Операционная система ( ОС) - это совокупность программ, обес-

печивающая определенный уровень эффективности цифровой вычислительной

системы за счет автоматизированного управления ее работой и набора услуг,

предоставляемого пользователям (ГОСТ 15971-84). Операционная система яв-

ляется посредником между ИВК и пользователем, она анализирует, интерпре-

тирует запросы и обеспечивает их выполнение. Запрос пользователя указывает

на требуемые действия, необходимые для их выполнения ресурсы и представля-

ется в виде задания на языке, который называется языком управления заданиями.

Операционная система пакетной обработки - система, которая обеспечи-

вает обработку заданий, поступающих в виде последовательных пакетов дан-

ных на входных устройствах; во время обработки нет взаимодействия между

пользователем и его заданием, а время ответа ИВК есть время выполнения задания.

Операционная система разделения времени - система, которая обеспечи-

вает одновременное обслуживание многих пользователей, работающих в режи-

ме непосредственной связи с ЭВМ, и позволяет каждому пользователю взаимо-

действовать со своей программой и данными. Это достигается разделением

времени работы процессора и других ресурсов ИВК между пользователями та-

ким образом, что гарантируется ответ на каждую команду пользователя в тече-

ние выделяемого ему "кванта времени".

Операционная система реального времени - система, которая об-

служивает процессы, протекающие в устройствах, работающих в режиме непо-

средственной связи с ЭВМ. Эти процессы (например, синхронизированный из-

мерительный эксперимент - с точной фиксацией моментов измерения) имеют

жесткие ограничения на время ответа: если запросы не будут вовремя обрабо-

таны, нарушается ход процесса, что приводит к неправильным результатам. Та-

кие ОС часто проектируются специализированными, ориентированными на

конкретный измерительный эксперимент.

Современные ОС обеспечивают выполнение любого из перечисленных

типов взаимодействия.

Языки программирования.

ИВК программируется на различных уровнях - от кодов до алго-

ритмических языков.

Все языки в зависимости от назначения можно разделить на два класса:

машинно-ориентированные и проблемно-ориентированные.

К машинно-ориентированным языкам относится ассемблер. Это язык

символьного кодирования для конкретной ЭВМ. В процессе трансляции сим-

вольные адреса преобразуются в действительные машинные в соответствии с

распределением памяти, которое автоматически выполняет транслятор. Для то-

го чтобы избавить программиста от необходимости написания одинаковых час-

тей программ, в ассемблере имеются макросредства, которые позволяют про-

граммисту задавать некоторую последовательность команд (макроопределение,

организация библиотеки макрофункций). Программирование на ассемблере

требует глубокого знания организации аппаратных средств ЭВМ и довольно

трудоемко. Целесообразность использования машинно-ориентированного язы-

ка (ассемблера, си) определяют два фактора:

1) эффективность получаемой машинной программы, зависящая только от

квалификации программиста и ресурсов ЭВМ;

2) универсальность языка. На нем программируется любая задача, которая

вообще может быть решена на данной машине. Этот фактор является опреде-

ляющим при программировании в измерительных системах, так как задачи там,

как правило, связаны с программированием средств измерительных каналов

(управление режимами работы модулей канала), предобработкой данных (часто

в реальном времени) и окончательной обработкой их и выдачей на устройства

индикации или документирования в удобном, часто нестандартном, виде.

В настоящее время широкое применение получил язык си, имеющий не-

сколько основных типов объектов: символы (байты), целые числа - короткие,

длинные и определенные архитектурой ЭВМ, а так- же числа с плавающей за-

пятой. Это позволяет настраивать язык на разные виды ЭВМ с различной разряд-

ной сеткой. Язык си намного проще в использовании и эффективнее ассемблера.

Проблемно-ориентированные языки различаются по форме записи и со-

держанию в зависимости от класса задач, для которых они разработаны. При-

меняемые в этих языках операторы (манипуляции данными, управления про-

граммой, ввода-вывода, спецификации, обращения к подпрограммам) значи-

тельно облегчают программирование. Развитые библиотеки подпрограмм дают

возможность программисту за минимальное время и с минимальными затрата-

ми создавать сложные программы для решения сложных научно-технических

задач. Однако ресурсы системы часто используются неэффективно, не сокра-

щается до минимума время решения. Решение задач в реальном времени на

языках высокого уровня практически невозможно.

Перевод программы с языков высокого уровня на машинный осуществ-

ляют программы-трансляторы.

Компилятор - это транслятор, у которого исходным является язык высо-

кого уровня, а объектным - язык низкого уровня, например ассемблер или вари-

ант машинного языка с абсолютными или относительными адресами.

Транслятор с ассемблера - это программа, у которой входным является

ассемблер, а выходным - машинный язык конкретной ЭВМ (коды).

Загрузчик - это транслятор, у которого выходом является программа с аб-

солютными адресами, готовая к выполнению на ЭВМ, а входом - программа на

машинном языке (с относительными адресами), не привязанная к конкретной

области ОЗУ и адресам внешних устройств.

1.3. Показатели качества ИВК

В соответствии с ГОСТ 26.203-81 ИВК относится к средствам измерений

и, следовательно, технические характеристики ИВК условий эксплуатации, ус-

тойчивости к внешним факторам, хранению, электропитанию, изоляции, ра-

диопомехам и другие регламентируются ГОСТ 22261-82 [2]. Характеристики

надежности определяются как и для любого средства измерения.

Метрологические характеристики. Для ИВК наиболее распро-

страненным подходом к нормированию метрологических характеристик явля-

ется разделение аппаратно-программных средств ИВК на тракты и каналы и

нормирование характеристик этих трактов и каналов. Определение метрологи-

ческих характеристик при этом производится расчетным методом, а их провер-

ка путем введения в программное обеспечение ИВК специальных программ

(метрологического программного обеспечения). Такой подход нашел отраже-

ние в нормативно-технических документах (ГОСТ 26.203-81, МУ 25.505-82).

Качество реализации алгоритмов в ИВК зависит от ряда факторов, таких,

как точность и быстродействие; диапазон изменения и форма представленных

входных и выходных величин; чувствительность, помехоустойчивость; схемо-

техническая надежность; параметры окружающей среды; продолжительность

работы; масса, габариты, потребляемая мощность; простота или сложность об-

служивания, квалификация обслуживающего персонала и т.д.

Обобщенный показатель качества функционирования ИВК представляет

собою многомерный вектор W, зависящий от указанных выше параметров, ко-

торые, в свою очередь, зависят как от входного потока данных X, так и от пара-

метров самой системы Y, т.е.

[

]

Y)a(X,FW

, (1)

где а - частный параметрический показатель; F- некоторый функционал, объе-

диняющий частные показатели.

Информационная эффективность W

ИЭ

характеризует способность ИВК

обеспечивать максимально возможные информационные показатели в предпо-

ложении полной работоспособности всей аппаратуры и идеальных условий ее

эксплуатации.

Основные показатели информационной эффективности- точность и быст-

родействие (производительность), которые могут быть выражены посредством

частных показателей: статистическая относительная погрешность 8; средняя

квадратическая погрешность δ; частота преобразования или снятия отчетов V;

скорость изменения значения сигналов S; пропускная способность С; спектр

(полоса пропускания), время действия и динамическая составляющая сигнала и

канала соответственно Fs, Ts, Ds, F

, T

, D

; разрешающая способность сигнала

и канала m

, m

и др.

Таким образом,

...)m,m,D,T,FC,S,V,,(FW

KSS(K)S(K)S(K)1ИЭ

. (2)

В качестве основы для оценки ИЭ ИВК могут быть приняты нор-

мируемые метрологические характеристики измерительных приборов по ГОСТ

8.009-84.

Конструктивная (схемотехническая) эффективность W

КЭ

характеризуется

возможностью использования ИВК для решения поставленных задач в кон-

кретных условиях.

Основные показатели КЭ - габариты Г, масса М, потребляемая мощность

Р, число элементов (модули, узлы, блоки) n

ЭЛ

, коэффициент взаимозаменяемо-

сти элементов К

ВЗ

, т.е.

,...)К,nР,М,F2(Г,W

ВЗЭЛКЭ

. (3)

В качестве частных показателей КЭ могут быть использованы от-

носительные величины, например

/ГМРn

ЭЛКЭ

, (4)

CТВЗЭЛКЭ

/rКn

, (5)

где

CТ

- стоимость прибора.

Эксплуатационная эффективность W

ЭЭ

характеризует условия эксплуа-

тации ИВК, обеспечивающие достижение максимальных показателей ИЭ.

Основные показатели ЭЭ: коэффициент выбора оптимальной опе-

рационной системы К

ОС

, наличия или отсутствия модулей программного обес-

печения К

ПО

возможности использования аппаратуры К

АП

и другие, т.е.

,...).К,К,F3(КW

АППООСЭЭ

(6)

Информационная надежность W

ИН

характеризует правильность протека-

ния информационных процессов в ИВК в заданном интервале времени при за-

данных внешних условиях (в том числе при воздействии помех) в предположе-

нии полной исправности аппаратуры.

Информационная надежность ИВК зависит от таких факторов, как форма

представления информации (аналоговая S или цифровая N); соотношение мощ-

ности полезных сигналов P

и помех P

, спектра сигналов F

и полосы пропус-

кания каналов F

, времени действия сигналов T

и каналов T

; способы повы-

шения помехоустойчивости (фильтрация, корреляция, избыточное кодирование

и др), т.е.

...)K,/TT,/FF,/PРN,F4(S,W

ПУKSKShSИН

, (7)

где К

ПУ

- коэффициент, характеризующий способ повышения помехоустойчивости.

В качестве частных показателей ИН могут быть использованы следую-

щие [2]: потенциальная помехоустойчивость, вероятностный показатель по-

грешности, информационный показатель

),/H(x)(H(x/y)1(H)

iii

−

(8)

где х и у - входной и выходной сигнал; H(x)

- энтропия входного сигнала i-гo

элемента; H(x/y)

- условная энтропия, характеризующая интенсивность помех;

0H(x/y)H(x)1;(H)0

≥

≤

Конструктивная (схемотехническая надежность) W

КН

определяется без-

отказной работой элементов ИВК в заданном интервале времени при заданных

внешних условиях, в предположении, что отсутствуют помехи и сбои.

Конструктивная надежность зависит от числа элементов n

ЭЛ

, их интен-

сивности отказов λ, продолжительности работы t

коэффициента резервирова-

ния

рез

, параметров окружающей среды (температура tº , влажность r

ВЛ

и др.) и

других факторов, т.е.

,...).r,t,t,,F5(nW

ВЛ

РрезЭЛКН

φ=

(9)

Эксплуатационная надежность WKH характеризует условия экс-

плуатации ИВК, обеспечивающие максимальную сохранность технических ха-

рактеристик аппаратуры.

Основные показатели ЭН - количество резервного оборудования n

рез

вре-

мя обнаружения и устранения неисправностей - время простоя t

ПР

Частные показатели ЭН - коэффициент готовности аппаратуры

)t/(ttК

ПРРРГ

; коэффициент профилактики

;/ttК

ПРРКП

коэффициент

квалификации обслуживающего персонала К

ВК

и др. Таким образом,

,...).К,К,К,F6(nW

КВПРГрезЭН

(10)

Приборная работоспособность ИВК может быть определена как

ПНПЭПР

WWW

или

КР,ИРПР

WWW

где

,WWW

КЭИЭПЭ

,WWW

КНИНПН

,WWW

ИНИЭИР

.WWW

КНКЭКР

Для интегральной оценки приборной работоспособности ИВК можно ис-

пользовать обобщенный критерий качества. В соответствии с этим критерием в

техническом задании для ИВК должны быть указаны требуемые показатели

ТЗТЗТЗТЗ

РКН,КЭ,ИН,ИЭ

−

, затем границы их допустимых откло-

нений, а также коэффициенты значимости показателей приборной работоспо-

собности.

Показатель качества функционирования ИВК по параметру γ опреде-

ляется как

,1Е

доп

∆

−

где

{

}

.,max

фактminдопmax

γ−γγ∆−γ∆=γ∆

. (11)

Аналогично определяются показатели качества

E,E,E

ϕβ