Шивринский В.Н. (под редак.) Проектирование приборов, систем и измерительно-вычислительных комплексов

Подождите немного. Документ загружается.

Для контроллера промежуточного уровня системной иерархии устройство

управления выполняет функции согласования контроллера с интерфейсом

верхнего уровня. Устройство управления состоит из средств, реализующих фи-

зическое и логическое согласование с интерфейсом верхнего уровня. Их функ-

циональное отличие от уровней 1-2 обусловлено тем, что контроллер ветви не

наделен функциями контроллера по отношению к интерфейсу верхнего уровня.

Адаптеры

Адаптеры (А) обеспечивают согласование функциональных (операцион-

ных) частей ИВК с интерфейсом ветви, в которую они входят.

Адаптеры различаются: 1) по типам интерфейсов, согласование с которыми

они обеспечивают; 2) по объему выполняемых интерфейсных функций; 3) по

конструктивному исполнению.

Кроме основных, адаптер может выполнять ряд вспомогательных функций:

1) диагностика, 2) контроль передаваемой информации, 3) преобразование

форматов данных.

Функциональная полнота адаптера определяется требованиями, исходящи-

ми из системных задач, решаемых с его помощью, а также характеристиками

компонента ИВК, подключаемого через адаптер к интерфейсу ветви.

Такими характеристиками являются: 1) быстродействие, 2) объем переда-

ваемой или принимаемой информации, 3) приоритетность этой информации в

системе и т. д. Структура любого адаптера состоит из двух основных частей:

1) интерфейсной – непосредственно связанной с интерфейсом ветви, 2) при-

борной – связанной с входом (выходом) подключаемого устройства.

Эти части обмениваются внутренними (местными) сигналами. Конструк-

тивно адаптеры выполняются: 1) в виде модулей, входящих в каркас и связан-

ных с магистральным интерфейсом; 2) в виде узлов подключаемых устройств;

3) в виде сменных блоков, входящих в подключаемые устройства.

Важной является тенденция к расширению номенклатуры вспомогательных

функций, выполняемых адаптерами. Такими функциями могут быть: 1) кон-

троль сбоев в работе интерфейса, 2) отсчет времени, 3) диагностика и самоди-

агностика с локализацией неисправности, 4) контроль и исправление ошибок в

принимаемой (передаваемой) информации, 5) буферирование информации,

6) преобразование данных в заданные форматы.

Глава 9. Субкомплексы

В самом общем виде структура субкомплекса представлена на рис. 9.1.

В одном конструктиве (приборном блоке) субкомплекса размещаются группы

средств получения, обработки и хранения, системного обмена, оперативно-

диспетчерское оборудование (ОДО). Эти средства объединены по магистраль-

но-модульному принципу, имеют общий источник сетевого электропитания и

могут (благодаря наличию средств автономного управления и отображения ин-

формации, а также выходу на стандартный интерфейс) использоваться как в ав-

тономном режиме, так и в составе ИВК, ИИС и систем управления.

Рис. 9.1. Обобщенная структура субкомплекса

Групповые нормирующие преобразователи

Функции, выполняемые групповыми нормирующими преобразователями

(ГНП), заключаются в сборе и функциональной обработке первичной информа-

ции от однотипных (или разделенных на группы) первичных преобразователей

физических величин в электрические сигналы. Число каналов, которые может

обслужить один ГНП, определяется возможностями элементной базы и в со-

временных ГНП не превышает 100 на один субкомплекс.

Наличие микроЭВМ в ГНП предопределяет программное выполнение

функциональной обработки информации, т. е. определение (расчетным или

табличным методом) значений измеряемых физических величин по получен-

ным кодированным значениям электрических сигналов. Поэтому задачей

средств получения информации в ГНП является обеспечение необходимого ко-

личества таких значений с необходимой скоростью и точностью.

Рассмотрим возможные структуры измерительной части ГНП. На рис. 9.2

показана структура, содержащая по одному нормирующему преобразователю

(НП) на каждую группу однотипных датчиков, первичный (К

) и вторичный

(К

) коммутаторы и один АЦП.

Рис. 9.2. Структура измерительной части субкомплекса

с одним НП на группу однотипных датчиков

Преимуществом такой структуры является ее простота, возможность кон-

троля и коррекции измерительного тракта путем подключения источника об-

разцовых сигналов (ИОС) к одному или нескольким контрольным каналам К

В том случае, когда используется всего один тип датчиков, исключается при-

менение коммутатора К

Недостатком структуры рис. 9.2 является необходимость предъявления

специальных требований к элементам К

(по количеству коммутируемых ли-

ний, остаточным параметрам, качеству изоляции).

Другой вариант структуры, показанный на рис. 9.3, предусматривает уста-

новку НП в каждый измерительный канал. Достоинством такой структуры яв-

ляется возможность обеспечения высокой скорости опроса каналов.

Современная технология гибридных ИМС и микросборок позволяет вы-

полнить группу из 8-16 однотипных НП для преобразования сигналов с термо-

пар, термометров сопротивления, тензометров, тензодатчиков в приемлемых

для ГНП габаритах.

Рис. 9.3. Структура измерительной части

субкомплекса с НП в каждом канале

Третий вариант структуры ГНП (рис. 9.4) предусматривает использование

автономных модульных мультиплексоров сбора измерительной информации

(МХ) с определенного типа датчиков.

Рис. 9.4. Структура измерительной части субкомплекса

на основе модульных мультиплексоров МХ

Каждый МХ имеет необходимые средства для нормализации, коммутиро-

вания и аналого-цифрового преобразования. Такой модуль может быть исполь-

зован также в любом другом КПИ при условии обеспечения совместимости по

магистрали. В состав МХ может быть введена однокристальная микроЭВМ для

выполнения функционального преобразования.

Субкомплексы с программируемой структурой

В общем виде объект испытаний, оснащенный при необходимости преобра-

зователями неэлектрических величин в электрические и электрических величин

в неэлектрические воздействия, представляет собой совокупность электриче-

ских входов и выходов.

Испытательная процедура заключается: 1) в выдаче на соответствующие

входы заранее известной совокупности электрических воздействий, изменяю-

щихся по известным законам; 2) в измерении на соответствующих выходах

электрических величин; 3) в первичной обработке полученной информации, за-

ключающейся в функциональных преобразованиях, коррекциях; 4) вычислении

(при косвенных измерениях) совокупностей значений измеряемых величин;

5) вторичной обработке измерительной информации с целью получения обоб-

щенных результатов испытательной процедуры и представления этих результа-

тов в требуемой форме.

Комплексная испытательная процедура – это совокупность различных ис-

пытательных процедур, имеющая конечной целью получение всех необходи-

мых сведений об объекте на данном этапе испытаний. В зависимости от коли-

чества входов и выходов объекта, скорости протекания процессов, объемов

первичной измерительной информации, сложности вторичной обработки, ха-

рактера и объемов представления результатов, выполнение комплексных испы-

тательных процедур возможно на уровне автономных субкомплексов с про-

граммируемой структурой (СПС), на уровне ИВК, на уровне ИИС.

Рассмотрим выполнение испытательной процедуры во времени, по сово-

купности входов и выходов объекта. Работа однопроцессорного устройства

происходит путем последовательного выполнения элементарных операций,

синхронизированных с тактовой частотой задающего генератора. Следователь-

но, состояние шин магистралей изменяется через некоторые конечные проме-

жутки времени.

Любая измерительная процедура занимает во времени определенный ко-

нечный интервал. Длительность такого интервала зависит как от скорости и ко-

личества операций, выполняемых на магистралях и внутри процессора, так и от

скорости выполнения операций аналоговыми и цифровыми устройствами изме-

рительной части. Ввиду того, что тактовая частота задающего генератора дос-

таточно велика, время выполнения программ управления и обмена информаци-

ей, первичной обработки, иногда существенно меньше, чем время выполнения

измерительных операций. Кроме того, сам алгоритм испытательной процедуры

может допускать наличие некоторых временных задержек между отдельными

действиями СПС (при медленно протекающих процессах).

В этих случаях можно условно говорить об одновременной работе уст-

ройств СПС и о выполнении испытательной процедуры в реальном масштабе

времени.

В других случаях скорость работы измерительной части и процессора со-

измеримы, а ход испытательной процедуры требует получения или выдачи ин-

формации с максимальной возможной скоростью.

Для реализации такой работы необходимы два условия. Первое – это разде-

ление времени выполнения процедуры на три этапа: подготовительный, основ-

ной и результирующий.

На подготовительном этапе осуществляется синтез структуры измеритель-

ных трактов СПС и подготовка всех его устройств к работе в режиме макси-

мального быстродействия.

На основном этапе происходит измерение или выдача мгновенных значе-

ний сигнала, количество и темп выдачи которых определяются алгоритмом ис-

пытательной процедуры. На результирующем этапе производится первичная

обработка массива полученных данных и передача результатов во внешнюю

часть для вторичной обработки.

Вторым условием эффективной реализации возможностей СПС на основ-

ном этапе является организация в составе СПС таких аппаратных и программ-

ных средств, которые позволили бы максимально использовать их быстродей-

ствие. Например, путем организации прямой связи между цифровыми частями

некоторых устройств и ОЗУ через канал прямого доступа. Возможен вариант с

созданием модулей, имеющих буферные ОЗУ.

Рассмотрим режимы работы СПС по совокупности его входов и выходов.

Распространенными являются три режима испытаний: 1) режим, когда требует-

ся измерение одной или нескольких электрических величин на выходе (выхо-

дах) объекта; 2) режим, когда требуется выдача одной электрической величины

на конкретный вход объекта (значения остальных входных величин при этом

фиксированы), информация с выхода (выходов) объекта поступает в виде дис-

кретных сигналов; 3) режим, когда требуется выдавать на конкретный вход

объекта дискретный сигнал и измерять значения выходных величин на одном

или нескольких выходах объекта.

Для выполнения всех трех типов испытательных процедур достаточно

иметь в измерительной части СПС один вход, обеспечивающий возможность

измерения всей номенклатуры электрических величин, и один выход. Сама

специфика построения СПС предполагает использование методов измерения и

выдачи изменяющихся во времени сигналов, основанных на обработке сово-

купностей мгновенных значений сигнала по известным формулам. Применение

этих методов дает возможность измерения и выдачи большого числа величин,

характеризующих как детерминированные, так и случайные сигналы.

Другой задачей является измерение и выдача с повышенной точностью па-

раметров сигналов постоянного тока при наличии промышленных помех.

Третьей задачей является измерение и выдача параметров сигналов частот-

но-временной группы.

Структуры измерительной части СПС

Возможны различные пути реализации структуры измерительной части

СПС. Первый заключается в использовании функциональных узлов, каждый из

которых выполняет одну определенную функцию.

Любая измерительная структура при этом состоит из двух последовательно

соединенных устройств: при измерении – нормирующего преобразователя НПi

и аналого-цифрового преобразователя АЦПj, при выдаче – цифроаналогового

преобразователя ЦАПj и выходного формирующего устройства ВУi. Функцио-

нальные узлы соединены с шиной внутреннего интерфейса через свои интер-

фейсные части И, ЦАП и АЦП имеют выход на шину прямого доступа ШПД

(рис. 9.5).

Рис. 9.5. Фрагмент структуры измерительной части СПС

на отдельных функциональных узлах

Функции коммутатора в данной структуре выполняют ключи, установлен-

ные на входах и выходах ВУi и НПi. Организация измерительной структуры

сводится к включению необходимых НПi и ВУi (все остальные НП и ВУ при

этом должны быть отключены).

Достоинствами структуры являются: 1) независимая работа по входу и вы-

ходу, 2) простота организации конкретных измерительных структур, 3) относи-

тельная простота реализации аналоговых частей отдельных функциональных

узлов, 4) простота управления функциональными узлами с магистрали.

Недостатками являются: 1) большое количество независимых функцио-

нальных узлов и их интерфейсных частей, 2) аппаратная избыточность за счет

того, что в отдельных группах функциональных узлов используются однотип-

ные фрагменты, состоящие из одних и тех же компонентов.

Второй вид измерительных структур СПС по принципу построения не от-

личается от первого. Особенность заключается в уменьшении (по сравнению с

рис. 9.5) числа функциональных узлов за счет создания модулей, способных

выполнять несколько функций.

Программирование такого модуля на выполнение заданной функции произ-

водится подачей соответствующей команды по магистрали. По этой команде в

аналоговой и цифровой части модуля происходит соответствующая коммута-

ция. Аналоговые элементы обеспечивают необходимые функции преобразова-

ния и нормализации. Цифровая часть вырабатывает соответствующие внутрен-

ние сигналы, реализующие алгоритм работы заданной функции. Сохраняется

независимый характер работы по входу и выходу. Нагрузка магистрали умень-

шается за счет сокращения числа устройств, подключенных к ней.

Аппаратные затраты могут оказаться меньше, чем при реализации структу-

ры рис. 9.5, за счет замены однотипных фрагментов на один, более сложный

фрагмент. На рис. 9.6 показан один из возможных вариантов таких СПС.

Рис. 9.6. Структуры измерительной части СПС

на программируемых функциональных узлах

Рассмотрим основные функциональные узлы структуры.

ПНПuir – программируемый нормирующий преобразователь напряжения,

тока и сопротивления в унифицированный сигнал.

ПВУui – программируемое выходное устройство, формирующее напряже-

ние и ток из унифицированного сигнала.

ПАЦПa – программируемый АЦП для измерения амплитуды унифициро-

ванного сигнала.

ПЦАПa – программируемый ЦАП для выдачи амплитуды унифицирован-

ного сигнала.

ПАЦПft – программируемый АЦП для измерения частоты или периода

входного сигнала (напряжения).

ПЦАПft – программируемый ЦАП для выдачи частоты и периода выход-

ного сигнала (напряжения).

Достоинствами структуры рис. 9.6 являются независимая работа по входу и

выходу, простота организации конкретных измерительных структур, малое

число функциональных узлов. К недостаткам можно отнести большие (по срав-

нению с рис. 9.5) аппаратные затраты на реализацию каждого функционального

узла, а также некоторое снижение быстродействия при выполнении испыта-

тельных процедур за счет потерь времени на перепрограммирование функцио-

нальных узлов.

Третий вид измерительных структур по принципу реализации отличается

от первых двух тем, что функциональный узел не выполняет конкретную зада-

чу аналогового, аналого-цифрового или цифроаналогового преобразования, а

является лишь «строительным материалом», из которого при помощи коммута-

тора составляется необходимая измерительная структура.

Обобщенная структура измерительной части СПС такого типа показана на

рис. 9.7. Структура содержит набор функциональных узлов, интерфейсные час-

ти, внешний коммутатор Кн, а также внутренний коммутатор Кв, при помощи

которого происходит соединение отдельных фрагментов в измерительные

структуры.

Рис 9.7. Обобщенная структура измерительной части

СПС на структурных функциональных узлах

На рис. 9.8 показана структура СПС, использующая набор элементов из

11 фрагментов. Рассмотрим основные структурные функциональные узлы:

ЦАП – быстродействующий цифроаналоговый преобразователь;

СПУ – схема поразрядного уравновешивания. Совместно с ЦАП она реа-

лизует функцию быстрого аналого-цифрового преобразования;

СВРс – схема выделения разностного сигнала, предназначена для коррек-

ции сигнала в режиме точного измерения и выдачи;

ИОТ – источник опорных токов, выдает на сопротивление значение тока

соответствующего поддиапазона измерений;

БВД – блок входных делителей, содержит набор входных делителей и

шунтов для выбора соответствующих поддиапазонов измерения;

100

ПОУ – программируемый операционный усилитель;

СОП – схема определения периода входного сигнала;

ЭСч – электронный счетчик числа импульсов;

ГОЧ – генератор опорных частот;

СиЧ – синтезатор частот;

УДД – управляемый дискретный делитель, предназначен для масштабиро-

вания амплитуды выдаваемых синусоидальных сигналов.

Рис. 9.8. Измерительная часть СПС

на структурных функциональных узлах