ОИИС лекция. Принцип сочетания системности и агрегирования
 Скачать 4.66 Mb.
|
|
Функциональные возможности Условия эксплуатации Эргономичность Возможность наращивания числа решаемых задач Стоимость Обслуживание Серийно выпускаемый ПК функциональные возможности ПК (быстродействие, объемы памяти и др.) более чем на 90% используются на обеспечение сервиса (простоты программирования , удобства общения, наглядности отображения и т. п.) Для работы в жестких условиях эксплуатации имеют ограниченную номенклатуру. По сравнению с ПК для работы в нормальных условиях стоимость в несколько раз больше. Имеют хорошо развитую систему органов управления и отображения. Большое количество клавиш затрудняет работу оператора и может привести к субъективным сбоям Возможно создание гибких ИИС, у которых число решаемых задач наращивается при эксплуатации Стоимость крупносерийной продукции ниже, чем единичного или мелкосерийного изделия. Обслуживание и замена крупносерийного изделия проще. Надежность современных электронных компонентов настолько высока, что заменять их приходится довольно редко Специализиро- ванное вычислительное устройство Функциональные возможности достаточны для решения любых инженерных задач. Проще обеспечить надежную работу в жестких условиях эксплуатации Можно предусмотреть только те органы управления и отображения, которые необходимы для данной ИИС. Обеспечить гибкость практически невозможно. В стоимость специализированн ого устройства часто приходится включать стоимость его разработки или доработки базового исполнения Надежность современных электронных компонентов настолько высока, что заменять их приходится довольно редко Выбор ЭВМ В каждом конкретном случае выбор между серийным ПК и специализированной ЭВМ производится индивидуально с учетом всех влияющих факторов. Относительно общий характер имеют только два вывода: - в гибких ИИС, используемых, как правило, при научных исследованиях, следует использовать ПК; - для производственных условий, особенно при неблагоприятном характере внешних факторов, следует использовать или промышленные ПК, или специализированные вычислительные устройства. Канал связи и его характеристики Канал связи (КС) - совокупность технических средств, обеспечивающих независимую передачу сообщения. В нее входят: - физическая среда, по которой передается сигнал; - линия связи (ЛС); - устройства для передачи и приема сигнала. Аппаратно используются в основном три вида каналов: - проводные каналы, применяемые в локально сосредоточенных ИИС, когда длина каналов не превышает десятков метров; - радиоканалы, в основном в УКВ диапазоне с частотной модуляцией, к которым примыкают и мобильные телефонные каналы; - оптоволоконные каналы. Канал связи и его характеристики В зависимости от используемого для передачи информации параметра несущего сигнала различают следующие виды систем передачи: - системы интенсивности, в которых несущим параметром является значение тока или напряжения; - частотные (частотно-импульсные), в которых передаваемая величина меняет частоту синусоидального сигнала или частоту следования импульсов; - времяимпульсные, в которых несущим параметром является длительность импульсов; к ним же относятся фазовые системы, в которых передаваемая величина меняет фазу синусоидального сигнала или сдвиг во времени между двумя импульсами; - кодовые (кодоимпульсные), в которых передаваемая величина передается какими-либо кодовыми комбинациями. Системы интенсивности передают аналоговые сигналы и имеют сравнительно низкую помехоустойчивость, что приводит к дополнительным погрешностям передаваемой информации. Частотные, времяимпульсные и кодовые системы передачи имеют существенно большую помехоустойчивость и практически не вносят погрешности в передаваемую информацию. Канал связи и его характеристики Основными характеристиками канала связи являются: - емкость КС ; - скорость передачи информации ; - пропускная способность канала . Емкость КС определяется следующим образом: , где - время, в течении которого канал занят передаваемым сигналом, - полоса частот пропускания канала, - характеристика, показывающая превышение мощности сигнала, которая может быть передана через канал, над мощностью помех в канале. Скорость передачи информации определяется ее количеством в единицу времени: Канал связи и его характеристики Для того, чтобы определить насколько скорость передачи близка к пропускной способности канала вводят характеристику , называемую коэффициентом использования канала: Пропускная способность канала определяется только свойствами канала и не зависит от источника сигнала. Чтобы передавать информацию без искажений, необходимо, чтобы его емкость была больше объема сигнала, а пропускная способность была больше скорости выдачи информации источником сигнала : , (1) где - объем сигнала. Канал связи и его характеристики Под объемом сигнала понимают произведение , где - длительность сигнала, - ширина спектра сигнала, - соотношение мощностей сигнала и помехи. Одного условия (1) недостаточно , необходимо чтобы: (2) Однако если условие (2) не выполняется, а (1) выполняется, то передача информации по каналу возможна, но после определенного преобразования. Например, если велика частота сигнала, но есть запас по времени передачи, сигнал может быть растянут по времени и передан по данному каналу. Структурные схемы линий связи для передачи информации Наиболее распространенными являются следующие структуры: - цепочная (последовательная); - радиальная; - кустовая; - магистральная. Цепочная (последовательная) структура Цепочные или последовательные схемы можно использовать, когда объекты расположены как вдоль линии, так и по площади. В цепочечной структуре каждая пара источник-приемник соединена попарно линиями от выходов предыдущих блоков к входам последующих, и обмен данными происходит непосредственно между блоками. Функции управления распределены между соседними устройствами. Структурные схемы линий связи для передачи информации Радиальная структура В системе имеется центральное устройство - контроллер, с которым каждая пара источник-приемник связана с помощью индивидуальной группы шин. Блоки и приборы, подключаемые к контроллеру, могут изменять свои места при соответствующем изменении программы работы контроллера. Структурные схемы линий связи для передачи информации Под управлением контроллера происходит обмен данными между каждым устройством и контроллером. Связь между управляющим устройством и одним из устройств - источников (приемников) сигналов может осуществляться как по инициативе контроллера, так и по инициативе устройств (абонентов). Контроллер может производить обмен данными только с одним из устройств. В случае одновременного поступления запросов от двух и более абонентов по системе приоритетов будет установлена связь с устройством, имеющим наивысший приоритет. Приоритет присваивается приборам и блокам в зависимости от их типа, технических характеристик и важности поступающей информации. Радиальное соединение функциональных блоков обеспечивает достаточно простую и быструю адресацию и идентификацию требуемого устройства. К недостаткам радиальной структуры можно отнести большую длину соединительных линий, а также сложность контроллера, что приводит к увеличению стоимости ИИС. Структурные схемы линий связи для передачи информации Кустовая схема В кустовой схеме часть источников информации объединены в общие группы, каждая из которых соединена с приемным пунктом П отдельной линией. Разновидностью кустовой схемы является древовидная, отличающаяся тем, что в точке соединения линий устанавливаются коммутирующие устройства. Структурные схемы линий связи для передачи информации Магистральная схема В системах с магистральной структурой вместо группы индивидуальных шин имеются коллективные шины, к которым подсоединяются все источники и приемники информации и контроллер. Такой интерфейс может быть использован в локально сосредоточенных ИИС для связи ИК с центральной ЭВМ. Методы разделения каналов Временное разделение каналов (ВРК) При ВРК информация по каждому каналу передается в течение короткого промежутка времени. Причем это время намного меньше периода опроса всех каналов. А в остальную часть периода информация передается по другим каналам. Методы разделения каналов С помощью коммутатора К 1 к модулятору М и передающему устройству П поочередно подключаются датчики Д 1 … Д n . На приемной стороне системы после приемника Пр и демодулятора ДМ, каналы разделяются коммутатором К 2 . Сигналы соответствующие каждому каналу поступают на свои сегменты системы обработки информации СОИ. Коммутатор управляются устройствами управления УУК 1 и УУК 2 Синхронизация режимов на передающей и приемной сторонах осуществляется с помощью синхронизирующих устройств - генераторов GN 1 и GN 2 . GN 1 вырабатывает импульсы синхронизации, отличающиеся от сигналов, несущих измерительную информацию. Эти импульсы передаются по линии связи и воспринимаются синхронизирующим устройством приемника GN 2 , который посредством УУК 2 управляет работой К 2 Время опроса определяется с учетом допускаемой погрешности дискретизации: , где - период дискретизации, - максимальная частота в спектре. Методы разделения каналов Синхронизация коммутаторов на приемном и передающем концах линии может быть осуществлена двумя способами: 1) пошаговая синхронизация, в этом случае работой коммутаторов К 1 и К 2 управляет один генератор, так что каждому выходному импульсу управляющего генератора соответствует один шаг коммутатора. 2) способ циклической синхронизации, при этом каждый из коммутаторов управляется своим генератором. Запуск генераторов и соответствующих коммутаторов производится стартовым синхроимпульсом. Генераторы останавливаются после прохождения всех каналов. Опрос канала может происходить периодически, когда все датчики последовательно подключаются к системе на равные интервалы времени, и не периодически - датчики подключаются лишь тогда, когда происходит определенное изменение информации на их выходе. Источниками методических погрешностей являются необходимость восстановления процесса по выборкам и перекрестное влияние каналов. Сигнал, ограниченный во времени имеет бесконечный спектр и поэтому не может быть передан без искажения. Расплывание импульсов приводит к тому, что часть импульса попадает в соседние интервал времени, отведенные для других каналов. Это и вызывает погрешность. Методы разделения каналов Частотное разделение каналов (ЧРК) Сигналы, пропорциональные измеряемым величинам с датчиков Д 1 … Д n поступают на вход модуляторов поднесущих частот МП. На другой вход модулятора подается напряжение с генераторов поднесущей частоты ГП 1 - ГП n . Напряжение генераторов, промодулированное по амплитуде, частоте или фазе, подаются на суммирующее устройство, где смешиваются. Результирующее напряжение поступает на модулятор несущей частоты МН, в котором осуществляется вторичная модуляция сигнала генератора несущей частоты, а затем на передающее устройство П. На приемной стороне колебания, усиленные в приемном устройстве Пр поступают на демодулятор несущей частоты ДН, напряжение на выходе которого имеет тот же вид что и на входе модулятора несущей, и далее через полосовые фильтры Ф 1 .. Ф n , выделяющие свои поднесущие колебания на демодуляторы поднесущих ДП, а затем через фильтры нижних частот ФНЧ 1 - ФНЧ n - на СОИ. Методы разделения каналов В системах с частотным разделением каналов для каждого КС выделяется полоса частот и средняя частота , а также защитный интервал по частоте . . Таким образом каждый канал занимает полосу частот . Если , а количество КС равно , то частотный диапазон линии связи должен быть . . При ЧРК обычно предполагается, что сигнал в каждом канале строго ограничен какой-то полосой частот. Кроме того канальный фильтр идеален, т.е. пропускает именно эту полосу частот, а вне полосы имеет бесконечно большое затухание. В то же время реальные сигналы имеют конечную длительность, и, следовательно, бесконечный спектр, а фильтр с бесконечно большим затуханием вне полосы частот должен состоять из бесконечно большого числа звеньев, то есть физически нереализуем. Отличие сигналов и фильтров от идеальных и является причиной возникновения погрешности. Кроме рассмотренных системам с частотным разделением КС прису щи и другие погрешности, например, погрешность, обусловленная увеличе нием амплитуды поднесущих, которая вызывается ограниченностью линей ного участка модулятора несущей частоты М. Унификация сопряжений и стандартные интерфейсы Под интерфейсом (или сопряжением) понимают совокупность схемотехнических средств, обеспечивающих непосредственное взаимодействие составных элементов системы. Наиболее распространенные интерфейсы определены международными, государственными и отраслевыми стандартами. Под стандартным интерфейсом понимается совокупность унифицированных аппаратных, программных и конструктивных средств, необходимых для взаимодействия различных компонентов в системах в условиях, предписанных стандартом и направленных для обеспечения информационной, электрической и конструктивной совместимости вплоть до нагрузочной способности линии и нумерации контактов разъема. Существует четыре основных признака классификации интерфейсов: - способ соединения элементов системы (магистральный, радиальный, цепочечный, комбинированный); - способ передачи информации (параллельный, последовательный, параллельно-последовательный); - принцип обмена информацией (асинхронный, синхронный); - режим передачи информации (двусторонняя одновременная передача, двусторонняя поочередная передача, односторонняя передача) Унификация сопряжений и стандартные интерфейсы При обмене данными между функциональными элементами возможен синхронный и асинхронный режим передачи сигналов. Синхронный режим характеризуется постоянным для всех функциональных элементов - источников интервалом времени, в течении которого осуществляется обмен информацией. Возможно два случая реализации этого режима: 1. Функциональный элемент – источник должен в определенный момент времени выставить на шину данных информацию, а функциональный элемент – приемник, которому предназначена эта информация, должен к этому моменту выйти на связь. 2. Момент выхода функционального элемента на связь не закреплен во времени, а определяется стробирующим импульсом, разрешающим обмен информацией; окончание обмена происходит при появлении второго стробирующего импульса. Интервал времени между стробирующими импульсами является также фиксированным и также как в первом случае выбирается исходя из инерционных свойств самого худшего по быстродействию функционального элемента. Унификация сопряжений и стандартные интерфейсы Основными характеристиками интерфейса являются: - функциональное назначение; - номенклатура шин и сигналов; - общее количество линий; - количество линий для передачи данных; - количество адресов; - количество команд; - быстродействие; - длина линий связи; - число подключаемых устройств; - тип линий связи. Основные функции интерфейса заключаются в обеспечении следующих видов совместимости между функциональными элементами системы: - информационной; - электрической; - конструктивной. Унификация сопряжений и стандартные интерфейсы Информационная совместимость - это согласованность взаимодействий функциональных элементов системы в соответствии с совокупностью логических условий. Условия информационной совместимости определяют объем и сложность схемотехнического оборудования и программного обеспечения, а также основные технико- экономические показатели, пропускную способность и надежность интерфейса. Электрическая совместимость - это согласованность статических и динамических параметров передаваемых электрических сигналов в системе шин, с учетом используемой логики и нагрузочной способности элементов. Условия электрической совместимости определяют: - тип приемопередающих элементов; - соотношение между логическим и электрическим состояниями сигналов и пределы их изменения; - коэффициенты нагрузочной способности приемопередающих элементов (число внешних устройств, которое можно к ним подключить); - схему согласования линии; - допускаемую длину линии и порядок подключения линий к разъемам; - требования к источникам и цепям электрического питания, к помехоустойчивости и заземлению. Унификация сопряжений и стандартные интерфейсы Условия конструктивной совместимости определяют типы соединительных элементов (разъем, штекер); распределение сигналов интерфейса по контактам соединительных элементов; типы конструкции платы, каркаса, стойки; конструкции кабельного соединения. Базирующие устройства Базирующее устройство, на котором размещаются датчики и во многих случаях исследуемый объект, не является ни средством измерения, ни средством вычислительной техники. По традиционной классификации технических средств, используемых в процессе измерения, оно должно быть отнесено к вспомогательным средствам. Базирующее устройство выполняет две основные функции: - обеспечение взаимодействия датчиков с исследуемым объектом (датчики могут быть контактными или бесконтактными, что не меняет сущности этой функции); - подача на исследуемый объект воздействий, обеспечивающих получение необходимой первичной измерительной информации. Конкретизация функций базирующего устройства вытекает из существа измерительной задачи, используемых математических и физических моделей исследуемого объекта, алгоритмов сбора первичной информации. Типовые алгоритмы сбора измерительной информации Сбор измерительной информации - это процесс подготовки пер вичной измерительной информации с целью ее последующего ввода в центральную ЭВМ информационно-измерительной системы для дальнейшей обработки. Процесс сбора измерительной информации включает в себя: - промежуточное запоминание информации; - предварительную (пер вичную) обработку данных; - передачу информации в пригодной для этого форме. Обработка результатов измерений может выполняться как в аналоговой, так и в цифровой форме. Различают централизованную обработку информации, когда вся обработка выполняется общей ЭВМ, и децентрализованную обработку, когда первичная информация обрабатывается в местах получения и (или) сбора информации с использованием связанных с центральной ЭВМ отдельных ЭВМ. Типовые алгоритмы сбора измерительной информации Централизованная обработка данных целесообразна в управляю щих вычислительных системах при решении задачи оптими зации процесса по требуемым крите риям, когда необходимо определять обобщенные технико-экономические показатели управления, в том числе с учетом результатов измерений. Для систем централизованной обработки данных характерны: - большой объем обрабатывае мых результатов измерений и преобладание количественных величин; - необходимость интегрирова ния ряда величин и получения средних значений; - большой объем хранимых дан ных; - выполнение сравнительно про стых вычислительных опера ций в реальном масштабе вре мени, т. е. в темпе поступле ния результатов измерений и протекания управляемого про цесса; - универсальность используемо го центрального процессора и быстрое изменение программ; - возможность вмешательства оператора в процесс управле ния; - отображение результата как в цифровой, так и в аналого вой формах; - формирование сигналов управ ления для исполнительных ор ганов. Типовые алгоритмы сбора измерительной информации В процессе сбора измерительной информации ИИС реализуют следующие функции: - опрос точек (объектов) измере ний по заранее заданной программе или в зависимости oт определенных условий (оба подхода обычно соче таются); - подготовка первичных результатов измерений для их дальнейше го использования; - контроль граничных значений измеряемых величин; - сравнение измеренных значе ний между собой и (или) с уставками (заданными значениями): - отбор результатов измерений по определенным критериям (параметрам); - протоколирование результатов измерений по определенным критериям (признакам); - сжатие измерительных дан ных, в частности, их объединением по определенным признакам с пере дачей последних в виде соответствующих кодов; - формирование аварийных сигналов; - формирование сигналов для воздействия на объект управления (регулирования). Типовые алгоритмы сбора измерительной информации Блок – схема функции ИИС Типовые алгоритмы сбора измерительной информации Обобщенная схема контура регулирования объекта Кодирование чисел В измери тельной технике, в зависимости от вида и назначения сигнала, применяют соответствую щие виды кодирования. Чаще всего для этого используют двоичный, двоично – десятичный и шестнадцатеричный код. Двоичный код Количественно информацию обычно представляют в двоичном виде (в виде двоичных чисел), т.к. два противоположных состоя ния легко воспроизводятся многими техническими средствами и распоз наются с весьма высокой вероятностью. При этом соответствующие сигналы обозначают, т.е. их кодируют зна чениями 0 и 1. Основание таких чисел равно 2 (у десятичных равно 10). Показатели степеней двоичного числа сум мируют по модулю 2. Двоичные числа представляются общим выражением где - целое число (0 или 1). Кодирование чисел Двоично –десятичный код Представляет собой форму записи рациональных чисел, когда каждый десятичный разряд числа записывается в виде его четырёхбитного двоичного кода. Весовые коэффициенты разрядов двоично-десятичного кода равны 8-4-2-1. В таблице приведены десятичные числа от 0 до 9 и соответствующие им числа в двоич но-десятичном коде. Десятичное число Коды разрядов тетрады Тетрада 8 4 2 1 0 0 0 0 0 0000 1 0 0 0 1 0001 2 0 0 1 0 0010 3 0 0 1 1 0011 4 0 1 0 0 0100 5 0 1 0 1 0101 6 0 1 1 0 0110 7 0 1 1 1 0111 8 1 0 0 0 1000 9 1 0 0 1 1001 Кодирование чисел Код Грея Правило записи, напри мер десятичного числа 13, в коде Грея таково: Представление десятичных чисел от 0 до 15 кодом Грея показано в таблице 13 2 2 2 0 2 2 2 2 2 2 0 2 0 1 0 3 2 1 0 0 0 1 0 3 0 i i i i i i Десятичное число Разряды тетрады кода Грея Тетрады Пересчет обычного двоичного кода в код Грея ( 15) ( 7) ( 3) ( 1) 0 0 0 0 0 0000 0000 1 0 0 0 1 0001 0001 2 0 0 1 1 0011 00+(1+2-1) 3 0 0 1 0 0010 00+(1+2) 0 4 0 1 1 0 0110 0+(1+2+4)-(1+2)+(1) 5 0 1 1 1 0111 0+(1+2+4)-(1+2)+(1) 6 0 1 0 1 0101 0+(1+2+4)0-(1) 7 0 1 0 0 0100 0+(1+2+4)00 8 1 1 0 0 1100 +(1+2+4+8)-(1+2+4)00 9 1 1 0 1 1101 +(1+2+4+8)-(1+2+4)0+(1) 10 1 1 1 1 1111 +(1+2+4+8)-(1+2+4)+(1+2)-(1) 11 1 1 1 0 1110 +(1+2+4+8)-(1+2+4)+(1+2)0 12 1 0 1 0 1010 +(1+2+4+8)0-(1+2)0 13 1 0 1 1 1011 +(1+2+4+8)0-(1+2)+(1) 14 1 0 0 1 1001 +(1+2+4+8)00-(1) 15 1 0 0 0 1000 +(1+2+4+8)000 13 2 2 2 0 2 2 2 2 2 2 0 2 0 1 0 3 2 1 0 0 0 1 0 3 0 i i i i i i Кодирование чисел Шестнадцатеричный код Основание таких чисел равно 16. Шестнадцатеричный числа представляются общим выражением где - значение множителя, которому соответствует целое число в диапазоне от 0 до 15. Значения множителей и соответствующие им целые числа представлены в таблице 0 16 15 0 , 16 i i i i a a Z |