Конспект лекцій для студентів базового напрямку 0913 " Метрологія та вимірювальна техніка" стаціонарної та заочної форм навчання
 Скачать 0.92 Mb.
|
|
ІНТЕРФЕЙСИ ВИМІРЮВАЛЬНИХ ІНФОРМАЦІЙНИХ СИСТЕМ Сучасні ВІС будуються за агрегатним або модульним принципом, при якому всі пристрої, що входять до складу ВІС, виконуються у вигляді окремих, самостійних блоків (модулів). У складі ВІС ці блоки виконують певні, притаманні їм, функції і взаємодіють між собою шляхом передачі вимірювальних сигналів і сигналів управління через систему спряження (узгодження), яка має назву інтерфейс. Згідно із загальноприйнятим визначенням, стандартний інтерфейс - це сукупність уніфікованих апаратних, програмних і конструктивних засобів, необхідних для реалізації взаємодії різних функціональних елементів в автоматичних системах збору та обробки інформації при умовах, обумовлених стандартом і направлених на забезпечення інформаційної, електричної та конструктивної сумісності вказаних елементів[2]. Структурна схема 34 інтерфейсу зображена на рис.12. Взаємодія між функціональними блоками ФБ системи (вимірювальними перетворюва-чами, приладами, АЦП,ЦАП і т.п.) здійснюється через інтерфейсні блоки ІФБ за командами, які формуються в блоці управління БУ і передаються на ІФБ через контролер К, тобто пристрій спряження блоку управління з периферійними пристроями. Складовими елементами інтерфейсу є електричні кола, які називаються лініями інтерфейсу. Частина ліній, об'єднаних за функціональним призначенням, називається шиною, а вся сукупність ліній - магістраллю. У системі шин інтерфейсу умовно можна виділити дві магістралі: інформаційного каналу та управління інформаційним каналом. По магістралі інформаційного каналу передаються коди даних, адресів, команд і стану блоків системи. Магістраль управління інформаційним каналом містить ряд шин, які розрізняються за функціональним призначенням: управління обміном інформації, передачі управління, переривання та спеціальних сигналів управління. Інтерфейс приладів HP-IB. Реалізація принципів програмованого управління роботою ВІС привела до появи цілого ряду інтерфейсних систем, серед яких найбільшого поширення у вимірювальних системах набули інтерфейс приладів HP-ІВ та інтерфейс КАМАК. Інтерфейс HP-1В (Hewlett-Packard Interface Bus) розроблений фірмою "Hewlett Packard" (США) для спряження різних приладів, периферійних пристроїв та ЕОМ. Магістраль інтерфейсу приладів з підключеними до неї функціональними блоками (вимірювальними приладами, перетворювачами і т.п.) зображена на рис.13. Вона складається із 16 сигнальних ліній, які згруповані за функціональною ознакою в три шини: інформаційну (8 ліній), управління передачею інформації (3 лінії) і загального управління інтерфейсом (5 ліній). До цих сигнальних ліній приєднуються функціональні блоки ФБ 1 ,...,ФБ n , причому, кожний з них у будь-який момент часу може бути або джерелом сигналу, або приймачем сигналу, або бути пасивним. [2] Ці функції встановлюються контролером, який управляє потоком інформації у магістралі та визначає, котрий із блоків повинен бути джерелом посилання інформації у магістраль, а котрий - приймачем цієї інформації. Рис. 12. Структурна схема інтерфейсу: БФ - функціональний блок; ІФБ - інтерфейсний блок; БУ - блок управління; К - контролер. ФБ ФБ ФБ БУ ІФБ ІФБ ІФБ К Магістраль . . . . . . Інтерфейс 35 Інформаційна шина (8 ліній) Шина управління передачею інформації (3 лінії) Шина загального управління інтерфейсом (5 ліній) DIO DAV NRFD NDAC IFC ATN SRQ REN EOI ІФБ ФБ1 ІФБ ФБ2 ІФБ ФБ n Контроллер Рис. 13. Магістраль інтерфейса приладів HP-ІВ: ІФБ - інтерфейсні блоки; ФБ1,...,ФБ n - функціональні блоки. Вся вимірювальна інформація і команди передаються по восьми лініях інформаційної шини DIO (DATA INPUT OUTPUT) у двійковому коді. Управління передачі кожного байта інформації здійснюється по трьох лініях шини управління: - DAV (DATA VALID) - інформація достовірна; - NRED (NON READY FOR DATA) - готовність або неготовність до прийому інформації; - NDAC (NOT DATA ACCEPTED) - інформація прийнята або не прийнята. Отже, шина управління передачею інформації або, як її ще називають шина синхронізації, служить для узгодження готовності джерела сигналу або контроллера до передачі інформації з готовністю приймача до прийому її, тобто для синхронізації їх роботи. Шина загального управління інтерфейсом використовується контроллером для посилання команд до джерел та приймачів інформації. Лінія - ATN (ATTENTION) - УВАГА вказує, яким чином слід інтегрувати дані, що поступають по шині DIO: як інтерфейсну команду чи як інформативне повідомлення. Лінія IFC (INTERFACE CLEAR) - ОЧИСТИТИ ІНТЕРФЕЙС вказує на встановлення стану функціональних блоків 36 у початковий. Лінія SRQ (SERVICE REQUEST) - ЗАПИТ НА ОБСЛУГОВУВАННЯ вказує на необхідність організації зв'язку з джерелом або приймачем інформації, який. виробляє цей запит. Лінія REN (REMOTE ENABLE) - ДОЗВОЛЕНЕ ДИСТАНЦІЙНЕ УПРАВЛІННЯ (замість управління від внутрішніх вузлів системи). Лінія EOT (END OR IDENTIFY) -КІНЕЦЬ АБО ІДЕНТИФІКАЦІЯ. Сигнал на цій лінії виробляється джерелом інформації, щоб відзначити закінчення багатобайтного повідомлення. Структурна схема ВІС з опрацюванням даних і управлінням від ЕОМта відображенням результатів вимірювань на дисплеї та графопобудовувачі, побудованої на основі використання інтерфейса приладів HP-IВ, зображена на рис.14. Робота інтерфейса системи при передачі байта інформації від ФБ - джерела сигналу (ФБ-ДС) до ФБ - приймача сигналу (ФБ-ПС) відбувається наступним чином: - ФБ-ДС і ФБ-ПС формують сигнали запиту на обслуговування на лінії SRQ шини управління; - контроллер, прийнявши ці сигнали, виставляє адреси ФБ-ДС і ФБ-ПС на лініях DIO 1 ,...,DI0 5 інформаційної шини; - розпізнавши свій адрес ФБ-С виставляє сигнал (логічну одиницю) на лінію NDAC шини синхронізації і контроллер дозволяє обмін інформацією; - при відсутності сигналу на лінії DAV і наявності сигналів на лініях NRED і NDAC про те, що приймач не готовий до прийому даних, на інформаційній шині DIO встановлюється байт інформації; - ФБ-ПС знімає сигнал з лінії NRFD, а ФВ-ДС формує сигнал на лінії DAV (дозвіл на обмін) і починається передача даних; - прийнявши байт інформації, ФБ-ПС знов виставляє сигнал на лінії NRFD і знімає сигнал а лінії NDAC, що е підтвердженням прийому інформації; - одержавши підтвердження про прийом інформації, ФБ-ДС знімає сигнал з лінії DAV та інформацію на шині DIO; - ФБ-ПС виставляє сигнал на лінії NRFD. На цьому цикл передачі байта інформації від ФБ-ДС до ФБ-ПС закінчується. 37 Досліджувани й об'єкт ФБ1 (первинний перетворювач) X Y Z ФБ4 (регулюючий пристрій) ІФБ Магістраль інтерфейса приладів ФБ2 (комутатор) ІФБ ФБ3 (цифровий вольтметр) ІФБ ФБ n (цифровий вольтметр) ІФБ Контролер ЕОМ Дисплей Графопобу довувач Рис. 14. Структурна схема ВІС з магістраллю інтерфейса приладів HP-IВ: ФБ1,…,ФБ n – функціональні блоки; ІФБ – інтерфейсні блоки. Інтерфейс приладів HP-IВ може працювати з 15-ма приладами при довжині кабелю зв'язку 20м і максимальній швидкості передачі інформації по магістралі 1Мбайт/с. ВИМІРЮВАЛЬНО-ОБЧИСЛЮВАЛЬНІ КОМПЛЕКСИ Призначення та особливості побудови вимірювально-обчислювальних комплексів. Блок управління ВІС, що розглядалися вище (див.рис.11), звичайно являє собою спеціалізований процесор або ЕОМ, які призначені для роботи тільки в складі даної системи. Це зумовлює досить жорстку структуру системи і в значній мірі звужує її функціональні можливості. Складність задач контролю та автоматизації вимірювального експерименту, опрацювання інформації та 38 управління привела до появи нового різновиду вимірювальних систем - вимірювально-обчислювальних комплексів (ВОК), в яких використовуються вільно програмовані ЕОМ з розвиненим програмним забезпеченням. Це дозволяє програмним шляхом змінювати алгоритм роботи системи, тобто здійснювати гнучку перебудову самої структури системи та взаємодії її з досліджуваним об'єктом без апаратурної перебудови. До складу ВОК входять технічні та програмні компоненти. До технічних компонентів відносяться засоби обчислювальної техніки, засоби вимірювання фізичних величин і опрацювання вимірювальної інформації, засоби вводу та виводу цифрових та аналогових сигналів, блоки інтерфейса та ін. Системне програмне забезпечення ВОК - це сукупність програмного забезпечення ЕОМ, яка використовується в ВОК, і додаткових програмних засобів, що забезпечують можливість роботи ВОК у діалоговому режимі. Прикладні програми ВОК забезпечують автоматичну обробку вимірювальної інформації, перевірку працездатності компонентів ВОК кожного зокрема і комплексу в цілому, метрологічне обслуговування ВОК (визначення метрологічних характеристик і метрологічну перевірку вимірювальних блоків ВОК, а також їх метрологічну атестацію) . ВОК створюються на основі серійних обчислювальних комплексів і програмно-керованих пристроїв зв'язку з досліджуваним об'єктом. Отже. поєднання в ВОК сучасних засобів вимірювальної та обчислювальної техніки та стандартних інтерфейсів дозволяє значно розширити функціональні можливості ВІС: змінювати алгоритми роботи для взаємодії з різними досліджуваними об'єктами без апаратурної перебудови систем. Структура ВОК. Узагальнена структурна схема ВОК зображена на рис.30.8. Для забезпечення оптимального управління вільно програмована ЕОМ включається в замкнутий контур комплексу. 39 Первинні вимірювальні перетворювачі Засоби вимірювання та обробки інформації Пристрій управління об'єктом ЕОМ Оператор Засоби відображення інформації Досліджуваний об'єкт Рис. 15. Узагальнена структурна схема ВОК. У цьому випадку вся система об'єднана програмою функціювання і опрацювання вимірювальної інформації, яка включає в себе як управління досліджуваним об'єктом, так і алгоритм взаємодії з оператором. Структура ВОК може мати один або два рівні. Однорівнева структура містить одну магістраль (рис.14), до якої підключені всі пристрої ВОК. Дворівнева структура (рис.16) містить дві магістралі - магістраль приладів і магістраль ЕОМ. Взаємодія між магістралями здійсню- ється через системний контролер - транслятор. Управління ВОК від ЕОМ здійснюється спеціальними програмами - драйверами. Електроприладобудівна промисловість випускає більше 50-ти різних типів ВОК, наприклад, ИВК-1, ИВК-2,..., ВК-20 і т.п. Комплекси ИВК-1і ИВК-2 будуються на основі процесорів СМ2103 і СМ2104 відповідно з використанням інтерфейса КАМАК і застосовуються для створення на їх основі АСУТП у різних областях виробництва, науки і техніки. Комплекс ИВК-4 призначений для автоматизації складних лабораторних експериментів, які вимагають вводу- 40 виводу графічної інформації, тому до його складу додатково входить графічний дисплей ЗПГCM і планшетно- рулонний графопобудовувач. Досліджуван ий об'єкт Первинні вимірювальні перетворюва чі Засоби вимірюва ння та обробки інформації Пристрій управління об'єктом Засоби відображ ення інформації Магістраль приладів Транслятор Магістраль ЕОМ Периферійн а ЕОМ ЕОМ Програмне забезпеченн я ЕОМ Рис. 16. Дворівнева структура ВОК. Комплекс ИВК-20 є проблемно-орієнтованим і використовується для автоматизації наукових досліджень у різних областях науки і техніки: фізиці, хімії, приладобудуванні та ін. Комплекс має обширне програмне забезпечення, що дає можливість видозмінювати і нарощувати периферійне обладнанняі, тим самим, пристосовуватися до різних досліджуваних об'єктів. ВИМІРЮВАЛЬНО-ОБЧИСЛЮВАЛЬНІ МЕРЕЖІ Одною з проблем інформаційно-вимірювальної техніки на сучасному етапі є комплексна автоматизація вимірювального процесу, починаючи від збору інформації та закінчуючи опрацюванням даних і представленням 41 результатів вимірювань. Однак, забезпечення кожного експериментатора чи проектувальника високоефективним вимірювально-обчислювальним обладнанням є неефективне і практично неможливе. Дійсно, деякі організації мають унікальні вимірювальні засоби та системи (лазерні дальноміри, високоточні вимірювачі переміщень і т.п.), розміщені у спеціально обладнаних приміщеннях, а інші не мають доступу до такого обладнання, що приводить до неефективного використання його. Сучасні засоби оптичного зв'язку мають велику пропускну здатність і дозволяють передачу як цифрових, так і аналогових сигналів. Це відкрило можливість колективного використання як обчислювального, так і вимірювального обладнання і привело до виникнення вимірювально-обчислювальних мереж. Вимірювально-обчислювальна мережа (BОM) - це сукупність територіально розподілених засобів вимірювань, ЕОМ та абонентських пунктів (вузлів мережі), зв'язаних між собою каналами передачі даних з метою колективного використання апаратних, програмних та інформаційних ресурсів. Абонентський пункт (АП) - робоче місце дослідників і проектувальників засобів вимірювальної техніки, обладнане необхідною апаратурою, а також терміналом на базі мікропроцесора або мікро-ЕОМ, які забезпечують доступ до мережі. Локальна вимірювально-обчислювальна мережа Локальна вимірювально-обчислювальна мережа (ЛВОМ) - це вимірювально-обчислювальна мережа, яка характеризується порівняно невеликими віддалями між безпосередньо зв'язаними вузлами мережі (не більше 2,5 км) і обслуговує зазвичай одне підприємство з територією по периметру не більше 10 км. Концепція ЛВОМ орієнтована на автоматизацію комплексних наукових досліджень у межах одного підприємства (інституту) і передбачає: - дистанційне управління унікальним вимірювальним обладнанням; - опрацювання вимірювальної інформації в реальному масштабі часу; - передачу інформації як у цифровій, так і аналоговій формі, а також телевізійних зображень; - високі вимоги до інформаційної надійності та метрологічної достовірності даних. Особливий поштовх до розвитку ЛВОМ дало широке впровадження у практику персональних комп'ютерів. Слід зазначити, що ЛВОМ через спеціальні пристрої можуть виходити на інші ЛВОМ і на глобальні ВОМ, що ще більше підвищує ефективність такої форми організації вимірювальних процесів. Структура ЛВОМ В основі побудови архітектури ЛВОМ використовуються різні конфігурації: зірка, кільце, шина, дерево та ін. Широкого поширення набула деревоподібна структура (рис.17), коли між двома вузлами ЛВОМ існує один зв'язок, а кожний вузол є центром своєї локальної "зірки". 42 При побудові ЛВОМ за деревоподібною структурою використовується принцип адміністративно-територіальної ієрархії: рівні складності ЛВОМ нарощуються за критерієм адміністративного підпорядкування . На нижньому рівні ЛВОМ розміщенні абонентські пункти АП, тобто робочі місця дослідників і проектувальників засобів вимірювальної техніки, обладнані відповідною апаратурою і терміналами на базі мікро-ЕОМ, які забезпечують доступ до мережі. Сукупність АП, розміщених в одному приміщенні (лабораторії), утворює відкриту підсистему - абонентську станцію, склад якої може змінюватись відповідно до поставлених задач. Для управління роботою підсистеми при розв’язуванні комплексних задач і для під'єднання її до інших підсистем ЛВОМ створюється центр комутації та управління ЦКУна базі мікропроцесора або мікро-ЕОМ. Абонентські пункти мають відносну самостійність у використанні ввіреного їм обладнання та рішенні простих задач. При розв'язуванні складних задач, а також при необхідності одержати додаткові ресурси, абонент через АП і ЦКУ використовує можливості всієї мережі, задаючи діалоговий або автоматичний режим роботи операційної системи ЛВОМ. Тобто абонент використовує вимірювальні та обчислювальні можливості своєї лабораторії, а коли це недос- татньо, звертається до інших підсистем, наприклад, використовується віддалене обладнання в режимі обробки аналогової телеметричної інформації. 43 ЦКУ ОЦКК ЦКУ ЦКУ ЦКУ ЦКУ ЦКУ АП АП АП АП АП 4-й рівень (об'єднання) 3-й рівень (підприємство) 2-й рівень (відділи) 1-й рівень (лабораторії) Рис. 17. Архітектура ЛВОМ ЦКУ - центр комутації та управління; ОЦКК - обчислювальний центр колективного користування; АП- абонентський пункт. Така ієрархічно-топологічна структура ЛВОМ, коли кожний рівень мережі будується за своїми топологічними правилами як окрема мережа, забезпечує її високу економічну ефективність, оскільки дає можливість створення потужних каналів зв’язку на основних маршрутах передачі інформації та забезпечення мінімально можливої кількості кроків при передачі інформації. Для вибору шляху передачі інформації досить задати адрес абонента і вказати напрям руху "вверх" чи "вниз" по мережі. 44 БАГАТОКАНАЛЬНІ ІНФОРМАЦІЙНО – ВИМІРЮВАЛЬНІ СИСТЕМИ КЛАСИФІКАЦІЯ ЧУТЛИВИХ ЕЛЕМЕНТІВ (СЕНСОРІВ) ВІС: 1) За видом параметрів, що контролюються, ЧЕ поділяються на: ЧЕ КОНТРОЛЮ ПРОЦЕСУ(обслуговують параметри, залежні від часу) ЧЕ КОНТРОЛЮ ПОДІЙ (інформують про те, що подія відбулася) ЧЕ контролю процесу поділяються на: безпосереднього перетворення(вимірювальна величина функціонально пов`язана з вимірюваним параметром); модуляційні(один чи кілька параметрів сигналу-носія змінюються у відповідності з вимірюваним параметром). В модуляційнихЧЕпередача вимірювальної інформації реалізується на постійному (в т.ч. дискр.-імп.) та змінному струмах. У відповідності до вимірюваної величини змінюється той чи інший параметр сигналу: на змінному струмові: амплітуда; частота чи фаза; в імп. послід-ті: тривалість; частота; амплітуда імпульсів … на постійному струмові: рівень сигналу |