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

Подождите немного. Документ загружается.

Структура многопроцессорного ИВК с системой магистралей приведена на

рис. 7.7.

Рис. 7.7. Структура многопроцессорного ИВК

с системой магистралей

Применение этих структур позволяет решить перечисленные выше пробле-

мы. Повышение производительности достигается за счет структур с распарал-

леливанием магистралей. Снижение уровня помех, возможность удаления уст-

ройств на значительные расстояния и упрощение обмена с малоинформатив-

ными устройствами достигается за счет структур рис. 7.6-7.7.

Для повышения надежности процесса испытаний используются структуры

с резервированием. Возможны два типа структур, повышающих надежность:

построенные по принципу дублирования и мажоритарные структуры.

В дублированных структурах обязательно применение во всех ее составных

частях встроенного контроля исправного состояния. В мажоритарных структу-

рах получение достоверной информации основано на сопоставлении результа-

тов, полученных по каждому независимому каналу, и выборе результата, сов-

падающего с показаниями большинства измерительных каналов.

Характеристики ИВК

Характеристики ИВК, по сравнению с традиционными средствами измере-

ний, существенно шире. Они должны отражать не только свойства ИВК, непо-

средственно связанные с получением информации, но также свойства, связан-

ные с обменом, обработкой, хранением и представлением информации. В тех

случаях, когда в состав ИВК входит серийный управляющий вычислительный

комплекс (УВК), эти свойства могут быть проанализированы и определены на

основе характеристик используемого УВК и применяемых интерфейсов. Так,

характеристики, связанные с возможными потоками и объемами информации,

определяются на основании анализа характеристик интерфейсов и средств вво-

да-вывода УВК.

Характеристики, связанные с обработкой информации, определяются ти-

пом используемого процессора и операционной системы. Возможности ИВК

как средства хранения информации определяются используемыми в УВК внут-

ренними и внешними запоминающими устройствами, а его характеристики как

средства представления информации связаны с применяемым в УВК оператив-

но-диспетчерским оборудованием.

Если средства управления, обработки и хранения входят в состав модуль-

ного ИВК, выбор номенклатуры его информационных и метрологических ха-

рактеристик, а также методов их определения, представляет сложную задачу,

которая в настоящее время не имеет однозначного решения.

В том случае, когда ИВК работает в составе измерительной информацион-

ной системы, целесообразно нормировать и проверять характеристики ИВК как

средства для выполнения данного, конкретного типа испытаний.

При этом могут нормироваться такие параметры, как время выполнения

цикла испытаний, метрологические характеристики получаемых результатов

испытаний, число или канальность объектов испытаний, объем и форма полу-

чаемых документов. Проверка характеристик таких ИИС может производиться

на эталонных видах изделий.

Для ИВК, область применения которых не ограничивается одним конкрет-

ным видом испытаний, наиболее распространенным подходом к нормированию

характеристик является разделение аппаратно-программных средств ИВК на

тракты. При этом определение метрологических характеристик производится

расчетным методом, а их проверка осуществляется путем введения в про-

граммное обеспечение ИВК специальных программ (метрологического про-

граммного обеспечения).

Трудности, возникающие при нормировании характеристик трактов, связа-

ны с определением в ИВК начало и конца тракта. Например, за окончание ре-

зультата измерений можно принимать момент попадания кодированного значе-

ния результата на магистраль ветви, в оперативное запоминающее устройство,

на средства отображения или документирования. Аналогичные трудности воз-

никают при выдаче сигнала с заданными метрологическими характеристиками.

Конкретное содержание проблем метрологического обеспечения средств,

входящих в ИВК и ИИС на их основе, выясняется при детальном анализе про-

цессов, происходящих в тракте, и возникающей при этом погрешности.

Различают четыре основных вида преобразования измерительной инфор-

мации в автоматизированных измерительных системах:

1) преобразование сигналов в аналоговой форме;

2) аналого-цифровое преобразование;

3) преобразование измерительной информации в цифровой форме;

4) преобразование в каналах выдачи аналоговой информации.

Погрешности аналогового преобразования сигналов измерительной инфор-

мации подробно изучались в предыдущих разделах.

Погрешность аналого-цифрового преобразования обусловлена погрешно-

стью аналого-цифрового преобразователя (АЦП), включающей в себя погреш-

ность квантования непрерывного сигнала по уровню, а также погрешность да-

тирования отсчетов, вызванной несоответствием реального момента измерений

запланированному (см., например, [15, с. 220-228]).

Погрешность цифрового преобразования связана с округлением в ЭВМ

данных измерений, промежуточных вычислений и коэффициентов; отклонени-

ем реального оператора цифрового преобразования от идеального; влиянием

погрешностей прямых измерений на окончательную погрешность результатов

косвенных, совместных и совокупных измерений, полученных с помощью

цифрового преобразования.

Погрешность канала аналогового вывода информации вызвана теми же

причинами, что и погрешность измерительного канала ИИС.

Анализ системы должен содержать метрологический анализ каждого этапа

преобразования сигналов измерительной информации в отдельности и анализ

совместного преобразования на всех этапах. Результаты этого анализа должны

явиться основой для разработки методов экспериментального и расчетного оп-

ределения характеристик средств различного уровня.

Нормативной базой этих методов должны быть методики расчетов и экспе-

риментального определения метрологических характеристик трактов измери-

тельной информации и системы в целом, а также перечень нормируемых харак-

теристик для средств, входящих в состав трактов. Метрологические характери-

стики средств измерений нормируются. Наиболее важные из них:

1) пределы измерений (по входу);

2) номинальные значения мер;

3) диапазон рабочих частот;

4) характеристики систематической составляющей погрешности, в частно-

сти, пределы допускаемой систематической составляющей погрешности;

5) характеристики случайной составляющей погрешности, в частности,

пределы допускаемого среднего квадратического отклонения случайной со-

ставляющей погрешности;

6) характеристики полной погрешности;

7) входное полное сопротивление;

8) выходное полное сопротивление;

9) динамические характеристики, в частности, амплитудно-частотные, фа-

зочастотные и т. д.;

10) функции влияния, представляющие собой зависимость изменения мет-

рологических характеристик от изменения влияющих величин или неинформа-

тивных параметров входного сигнала; при этом неинформативным параметром

входного сигнала называется параметр, не связанный функционально с изме-

ряемым свойством объекта измерений; например, зависимость показаний элек-

тронного вольтметра от частоты или формы кривой измеряемого напряжения.

В технической документации метрологические характеристики средств из-

мерений представляют в виде чисел, формул, таблиц и графиков.

В ИВК могут возникнуть инструментальные погрешности из-за ограничен-

ной разрядной сетки ЭВМ. Операция округления в ЭВМ осуществляется обыч-

но путем усечения неучитываемых разрядов или симметричного округления с

учетом значения старшего отбрасываемого разряда.

Погрешности усечения имеют отрицательный знак для любых арифметиче-

ских операций над числами. При большом количестве последовательных ариф-

метических операций погрешности могут превысить допустимый уровень.

Оценка этой погрешности производится в случаях, когда разрядная сетка ЭВМ

близка к разрядности АЦП. Рекомендуется иметь в ЭВМ 2-4 дополнительных

(по сравнению с разрядностью АЦП) разряда.

Принципы формирования комплексов получения информации

Комплексы получения информации (КПИ) являются важнейшей составной

частью ИВК. Основными аппаратными средствами КПИ являются модули, час-

тичные блоки, приборы и субкомплексы.

Модули – это устройства, конструктивно расположенные на одной или не-

скольких печатных платах стандартного размера, выполняющие одну или не-

сколько определенных функций измерения, преобразования, выдачи, коммута-

ции непрерывных сигналов, а также ввода и вывода дискретных сигналов.

В состав модуля входят также узлы для выполнения функций системного обме-

на с магистралью. Конструктивно исполнение модулей рассчитано на их раз-

мещение и закрепление в определенном типе каркаса (крейта). Электропитание

осуществляется от внешних источников.

Частичные блоки – это устройства, предназначенные для преобразования

входных или выходных сигналов КПИ (усилители мощности, напряжения или

тока, нормирующие преобразователи).

Прибор представляет собой устройство, заключенное в опломбированный

корпус, имеющее автономный источник питания и лицевую панель, на которой

расположены органы управления и индикации, позволяющие выполнять все за-

планированные операции в ручном режиме. Измерительная часть прибора мо-

жет состоять из тех же узлов, которые используются в модулях.

На современном этапе метрологические характеристики приборов выше,

чем у модулей. Это достигается за счет применения структурных, алгоритмиче-

ских и конструктивных решений, которые по тем или иным причинам не могут

быть выполнены в модульном исполнении.

Субкомплексы являются дальнейшим развитием приборов в направлении

увеличения числа измеряемых и выдаваемых электрических величин, количе-

ства измерительных каналов и первичной обработки измерительной информа-

ции. Аппаратная часть субкомплекса представляет собой набор модулей.

Классификация средств обмена непрерывными сигналами

Первым признаком классификации является назначение устройства: изме-

рение, выдача или коммутация.

Вторым признаком является вид измеряемой, выдаваемой или коммути-

руемой электрической величины.

Третья группа признаков описывает метрологические характеристики

средств, в первую очередь, диапазон изменения, точность и быстродействие, а

также некоторые дополнительные характеристики, связанные с конкретными

видами средств (шумы, помехи, число каналов, входные и выходные сопротив-

ления и т. д.).

Средства измерений

Это наиболее развитая и многочисленная подгруппа средств получения ин-

формации широко представлена в ИВК на всех уровнях конструктивного ис-

полнения: приборном, блочном, модульном. Наиболее распространенными яв-

ляются средства измерений напряжения постоянного тока, постоянного тока,

сопротивления, частоты и периода.

Кроме того, путем преобразования сигналов в унифицированный сигнал

постоянного напряжения или тока измеряются многие электрические и неэлек-

трические величины. Промышленностью выпускается значительное количество

цифровых электроизмерительных приборов. Степень автоматизации измери-

тельных функций, выполняемых различными приборами, или «системность»

этих цифровых приборов различна.

Минимально пригодным для применения в ИВК является цифровой при-

бор, который способен по сигналу внешнего запуска произвести измерение

входной величины и сигнализировать о моменте времени, начиная с которого

его выходные дискретные сигналы могут восприниматься средствами систем-

ного обмена. При этом остальные операции, связанные с выбором режима ра-

боты, вида измеряемой величины и ее поддиапазона, выполняются вручную.

На первом этапе развития ИВК именно такие приборы составляли основу

измерительного комплекса (ИК). Дискретные сигналы на выходе этих приборов

представляют собой двоично-десятичный код мантиссы измеряемой величины,

а также сигналы полярности и порядка поддиапазона, закодированные произ-

вольным образом. С развитием элементной базы происходило постепенное из-

менение системных функций приборов с целью оснащения их выходом на

стандартный интерфейс (для программного управления всеми операциями по

выбору режимов работы, виду и поддиапазону измеряемой величины).

Наибольшее применение в ИВК находят цифровые вольтметры и мульти-

метры, а также частотомеры-периодомеры. Кроме того, выпускаются цифровые

омметры, фазометры, цифровые мосты для измерения емкости и индуктивно-

сти, которые могут применяться в КПИ. Цифровые вольтметры осуществляют

предварительное преобразование измеряемой величины в унифицированный

сигнал – напряжение постоянного тока, который затем преобразуется в цифро-

вой код аналого-цифровыми преобразователями различного типа.

В современных КПИ находят применение средства измерений, выполнен-

ные в виде частичных блоков. По своему назначению все они выполняют

функции преобразования типа аналог-аналог, т. е. на входе и на выходе этих

устройств присутствуют непрерывные электрические сигналы, различающиеся

видом, уровнем и спектром. Они предназначены как для автономного исполь-

зования, так и в составе комплексов и систем. Частичные блоки имеют встро-

енное электропитание, опломбированный корпус и нормированные метрологи-

ческие характеристики.

Модульные средства измерений предназначены для выполнения тех же

функций, которые в настоящее время выполняются приборами и блоками. Все

модульные средства измерений можно разделить на две группы: аналого-

цифровые преобразователи (АЦП) и нормирующие преобразователи.

Применяются два типа АЦП: 1) осуществляющие преобразование постоян-

ного напряжения, тока в код (АЦПН); 2) осуществляющие преобразование час-

тоты, периода в код (АЦПЧ).

АЦПН могут измерять мгновенное значение входной величины и среднее

значение за интервал времени. АЦПН среднего значения находят наибольшее

распространение при измерениях в условиях помех с частотой питающей сети.

Интегрирующие АЦПН имеют высокие метрологические характеристики, в

цифровых вольтметрах постоянного тока разрешающая способность достигает

0,0001%. В аппаратуре КАМАК используются модульные АЦПН с быстродей-

ствием от 200 нс до 2 с и разрядностью от 7 до 20.

Частотные аналого-цифровые преобразователи представляют собой разно-

видность АЦП. АЦПЧ предназначены для получения из входных аналоговых

сигналов информации о частоте или периоде с последующим преобразованием

в параллельный двоичный код. Существующая в настоящее время элементная

база позволяет на одной-двух платах реализовать измерение частоты, периода в

широком диапазоне: 0,01÷2⋅10

Гц – по частоте и 1⋅10

-7

÷100 с – по периоду.

Возможности программного управления дают модульным средствам пре-

имущества (по сравнению с частотомерами в приборном исполнении) в произ-

водительности при измерении частоты на низких частотах и периода – на высо-

ких. Границы для работы модуля в режиме измерения частоты или периода

обусловливаются требуемой погрешностью измерения.

Нормирующие преобразователи в модульном исполнении по своему назна-

чению соответствуют либо блочным измерительным преобразователям, усили-

вающим сигналы низкого уровня, либо блочным преобразователям, норми-

рующим сигналы с датчиков неэлектрических величин.

Средства выдачи непрерывных сигналов

Важнейшей составной частью ИВК является средство, позволяющее выда-

вать на объект испытаний непрерывный сигнал, метрологические характери-

стики которого (с известной, гарантируемой точностью) соответствуют коду

числа, поступившему на вход этого средства из УВК через средства системного

обмена. Вначале таким сигналом являлось напряжение постоянного тока, изме-

няющееся в пределах ±10 В (либо в более широком диапазоне). Впоследствии

развитие ИВК стимулировало разработку и освоение программируемых средств

для выдачи других электрических величин: постоянного тока, сопротивления,

частоты и периода колебаний, амплитудного значения синусоидального напря-

жения переменного тока в низкочастотном диапазоне частот.

Перечисленные средства в приборном исполнении часто объединяются об-

щим названием «калибраторы электрических сигналов», хотя употребляются

также названия «многозначная мера» и «программируемый источник».

Наиболее широкое применение средства выдачи непрерывных сигналов на-

ходят в ИВК для испытаний устройств с электрическим входом и выходом, где

они служат источниками для получения непосредственных воздействий на объ-

ект испытаний. В других ИВК воздействие выдается в виде унифицированного

электрического сигнала, который преобразуется в воздействие, имеющее дру-

гую физическую природу. Калибраторы используются в составе некоторых

ИВК в качестве средств встроенного метрологического контроля для периоди-

ческой поверки измерительных трактов.

Основную группу модульных средств выдачи сигналов составляют циф-

роаналоговые преобразователи напряжения (ЦАПН). В прецизионном режиме

такой ЦАП имеет 18 двоичных разрядов и время установления 100 мс, в быст-

родействующем – 14 двоичных разрядов при времени установления 10 мкс.

Кроме ЦАПН имеются также модули для выдачи частотного сигнала.

Средства коммутации

Коммутатор является программно-управляемым устройством, позволяю-

щим подключить любой из имеющегося набора входов или выходов объекта к

средствам выдачи или измерения ИВК. В том случае, когда обеспечивается

точность метрологических характеристик измеряемых или выдаваемых сигна-

лов и погрешность, вносимая коммутатором в измеряемый или выдаваемый

сигнал, может быть учтена, коммутатор называется измерительным.

В приборном исполнении в составе ИВК нашли применение измерительные

коммутаторы Ф799 и Ф7078. Эти коммутаторы имеют модификации с контакт-

ными и бесконтактными коммутирующими элементами (ключами), количество

которых может наращиваться ступенями за счет изменения числа частичных

блоков ключей, входящих в коммутатор. В модульных ИВК коммутаторы мо-

гут присутствовать как в качестве узлов, входящих в состав функциональных

модулей, так и в виде отдельных модулей.

Средства ввода-вывода дискретных сигналов

Средства ввода-вывода дискретных сигналов используются для двунаправ-

ленного обмена этими сигналами между объектом и ИВК, а также для согласо-

вания сигналов по форме и электрическим параметрам. Эти устройства выпол-

няются в виде модулей.

Появление средств ввода-вывода как самостоятельной группы обусловлено

невозможностью непосредственной передачи (приема) информации из магист-

рали каркаса или УВК на управляемый объект из-за наличия помех, несоответ-

ствия электрических параметров магистрали и объекта по амплитуде, форме

или мощности, наличия специфических требований к способам приема (пере-

дачи) данных. Структурно эти модули состоят из двух функциональных узлов:

интерфейсного и функционального преобразования. Интерфейсный узел согла-

сует модуль с магистралью каркаса по стандартному протоколу обмена.

Узел функционального преобразования (УФП) преобразует информацию,

вводимую (выводимую) в магистраль (из магистрали) в сигнал, пригодный для

обмена с объектом. Составной частью УФП может быть гальваническая развяз-

ка, обеспечивающая защиту объекта от помех. Наличие интерфейсного узла

обязательно для любого модуля, а состав УФП меняется в зависимости от уда-

ленности объекта от каркаса и функционального назначения модуля.

Глава 8. Средства системного обмена

Общая характеристика интерфейсов

В отечественной практике для описания совокупности схемотехнических

средств и функций, обеспечивающих непосредственное взаимодействие со-

ставных элементов систем обработки данных, сетей, систем передачи данных,

подсистем периферийного оборудования, используются понятия «интерфейс»,

«стык», «протокол».

Под стандартным интерфейсом понимается совокупность унифицирован-

ных аппаратурных, программных и конструктивных средств, необходимых для

реализации взаимодействия различных функциональных элементов в автомати-

ческих системах сбора и обработки информации при условиях, предписанных

стандартом и направленных на обеспечение информационной, электрической и

конструктивной совместимости указанных элементов.

Понятие «стык» означает место соединения устройств передачи сигналов

данных. Под понятием «протокол» понимается строго заданная процедура, или

совокупность правил, регламентирующая способ выполнения определенного

класса функций.

Классификация интерфейсов

Интерфейсы классифицируются по четырем основным признакам:

1) способ соединения компонентов (магистральный, радиальный, каскадный,

комбинированный);

2) способ передачи информации (параллельный, последовательный);

3) принцип обмена информацией (асинхронный, синхронный);

4) режим передачи информации (двухсторонняя одновременная, двухсторонняя

поочередная, односторонняя).

Более полные характеристики и классификация интерфейсов базируются на

совокупности нескольких основных признаков: области распространения, или

функциональном назначении; логической организации; функциональной орга-

низации; физической реализации.

В соответствии с функциональным назначением интерфейсы можно разде-

лить на следующие основные классы:

1) системные интерфейсы ЭВМ;

2) интерфейсы сосредоточенных мультипроцессорных систем;

3) интерфейсы периферийного оборудования;

4) интерфейсы сетей передачи данных;

5) интерфейсы программно-управляемых модульных систем и приборов;

6) интерфейсы локальных вычислительных сетей;

7) интерфейсы распределенных систем общего назначения.

Системные интерфейсы

Конфигурация ИВК, средства связи измерительной и управляющей аппара-

туры с ЭВМ, а также техника программного управления этой аппаратурой в

значительной степени определяются тем, какой системный интерфейс исполь-

зуется в примененной ЭВМ. Под системным интерфейсом ЭВМ понимают весь

комплекс средств сопряжения центрального процессора (ЦП), оперативной па-

мяти (ОП) и внешних устройств (ВУ), входящих в состав ИВК. Системный ин-

терфейс представляет собой совокупность унифицированной магистрали для

передачи информации, электронных схем (служащих для согласования, преоб-

разования и управления сигналами на магистрали), а также унифицированных

алгоритмов обмена информацией между отдельными устройствами ЭВМ.

Системный интерфейс семейства машин СМ ЭВМ носит название «Общая

шина» (ОШ). Системный интерфейс семейства машин «Электроника 60» идео-

логически схож с ОШ, но отличается от него составом линий, сигналов и по-

рядком их взаимодействия. МикроЭВМ семейства «Электроника» аппаратно

несовместимы с машинами типа СМ.

С другой стороны, все упомянутые выше машины имеют единую систему

машинных команд, единый язык программирования низкого уровня – язык Ас-

семблера, одинаковые принципы подсоединения и программного управления

как стандартными ВУ, так и измерительной аппаратурой, входящей в состав

ИВК, одни и те же ОС. Все это определяет программную совместимость рас-

сматриваемых машин не только на уровне машинных кодов, но и на уровне

структурной организации программных комплексов реального времени.

Практическое использование ЭВМ для автоматизации измерений или по-

строения автоматизированных приборов и установок не требует детального

изучения структуры и функционирования системного интерфейса. Однако

представление об общих принципах и основных характеристиках системного

интерфейса облегчает рассмотрение средств связи измерительной аппаратуры с

ЭВМ, режимов работы и особенностей программирования этой аппаратуры,

возможностей оптимизации управляющих программ.

Несмотря на разнообразие задач, решаемых ЭВМ, процессы, происходящие

на системной магистрали, ограничены небольшим числом основных действий.

К таким действиям можно отнести операции записи, чтения, прерывания и

прямого доступа в память (рис. 8.1). Операция чтения позволяет процессору

получать необходимую для выполнения программы информацию: из ОП – код

очередной команды или данные (операнды выполняемой команды); из ВУ –

слово состояния ВУ или очередную порцию данных. В процессе операции за-

писи процессор передает в ОП результат вычислений, а в ВУ – новые значения

управляющего слова или очередную порцию данных (направление передачи

данных определяется относительно процессора: чтение в процессор, запись из

процессора).

Рис. 8.1. Основные действия на системной магистрали

С помощью операции прерывания ВУ оповещает процессор о своей готов-

ности к передаче очередной порции данных. Эта операция позволяет ВУ вы-

полнять активную роль и создает предпосылки для оперативной обработки ре-

гистрируемых комплексом внешних событий.

Операция прямого доступа в память служит для быстрой передачи в ОП

или из нее отдельных порций или массива информации под управлением не

процессора, как обычно, а контроллера ВУ (контроллера прямого доступа). При

этом существенно повышается скорость обмена информацией. Прямой доступ

используется с такими стандартными ВУ, как НМД и НМЛ, а также с разнооб-

разной измерительной и регистрирующей аппаратурой (АЦП, регистрами, за-

поминающими устройствами, служащими для предварительного накопления

регистрируемых данных, и т. д.).

С помощью перечисленных операций реализуется все многообразие дейст-

вий, выполняемых ЭВМ. Редактирование текста создаваемой программы,

трансляция, выполнение вычислительной задачи, прием информации из изме-

рительной аппаратуры, управление автоматизированной установкой – все это

раскладывается на простейшие операции чтения и записи, а также, в случае не-

обходимости, на операции прерываний и прямого доступа. Быстродействие

ЭВМ определяется скоростью выполнения этих операций.

Для магистральных системных интерфейсов характерны некоторые общие

принципы построения. В процессе взаимодействия любых двух устройств ЭВМ

одно из них обязательно выполняет активную, управляющую роль и является

задатчиком, второе же оказывается управляемым, исполнительным. Чаще всего

функцию задатчика выполняет процессор. Например, операции считывания из

ОП очередной команды и ее операндов или записи в управляющий регистр ВУ

управляющей информации, а в регистр данных ВУ очередного данного, выпол-

няются по инициативе и под управлением ЦП, который выступает здесь в каче-

стве задатчика. Исполнителем в первом случае является ОП, во втором – ВУ.

Внешнее устройство может стать задатчиком на ОШ в процессе выполне-

ния операции прерывания, когда из ВУ в ЦП поступает адрес вектора прерыва-

ния. Центральный процессор здесь играет пассивную роль исполнителя.