Основные структуры ИИС

Обобщенная структурная схема ИИС приведена на рис. 14.2.

Магистраль представляет канал общего пользования (КОП), с которым соединяются средства измерений (СИ) — приборы-модули, средства вычислительной техники (СВТ) и вспомогательные устройства (ВУ). Конструктивно КОП представляет собой набор кабелей определенной конструкции и протяженности.

Приборы-модули, совместимые с КОП, определяют функциональные возможности и метрологические характеристики ИИС в целом. В настоящее время номенклатура СИ позволяет создавать ИИС практически с любыми измерительными задачами. Кроме того, большинство выпускаемых в настоящее время за рубежом радиоизмерительных приборов обладают интерфейсными функциями КОП и могут быть использованы наравне с отечественными СИ в составе ИИС без каких-либо доработок. Одновременно с расширением номенклатуры СИ с интерфейсными функциями по стандарту КОП происходит улучшение их метрологических, технических и эксплуатационных характеристик. Многие из выпускаемых СИ приспособлены к эксплуатации не только в лабораторных, но и в полевых условиях.

Управление работой всех устройств ИИС осуществляет контроллер. В качестве внешних запоминающих устройств удобны накопители на флэш-памяти или на жестких дисках. Кроме того, ИИС должна оснащаться принтером и дисплеем с клавиатурой.

Для сопряжения ИИС с контролируемым объектом в каждом конкретном случае используется ВУ, важнейшие узлы которого — устройство связи с объектом контроля (ОК) и коммутатор. Устройство связи устанавливает режимы работы ОК, переключает диапазоны, осуществляет коммутацию внутри его цепей и т. д.

Коммутатор ИИС служит для концентрации и распределения измерительных ресурсов ИИС. С его помощью контролируемые выходы объектов контроля по программе ЭВМ подключаются к измерительным входам приборов, установленных в блоке средств измерений (СИ). В зависимости от видов и объемов контроля в состав ИИС могут входить несколько однотипных или разнотипных коммутаторов, например высокочастотные и низкочастотные. Для обеспечения большей полноты автоматизированных проверок технического состояния контролируемых устройств важно, чтобы все ВУ были совместимы с КОП и управлялись через него.

Неотъемлемой частью ИИС является ее программное обеспечение (ПО), которое также целесообразно строить по модульному принципу. Это обеспечивает ускорение настройки ПО на изменение задач, решаемых ИИС. Программное обеспечение ИИС включает в себя две основные части: базовое (системное) программное обеспечение (БПО) и функциональное (прикладное) программное обеспечение (ФПО).

Базовое ПО — наиболее универсальная часть ПО, общая для различных ИИС. Программы, входящие в его состав, обеспечивают управление всеми аппаратными и программными ресурсами, связь оператора с системой, а также автоматизацию разработки программ ФПО. Так как БПО носит универсальный характер, оно может разрабатываться и поставляться вместе с управляющей ЭВМ. При проектировании и сборке конкретной ИИС остается только настроить БПО под эту систему.

Функциональное ПО реализует конкретные алгоритмы измерений и обработки получаемой информации. При его разработке необходимо иметь четкое представление о задачах, решаемых с помошью данной ИИС с учетом их возможного изменения при эксплуатации системы. Следует предусмотреть возможность разработки прикладных программ оператором, не являющимся профессиональным программистом. Желательно реализовать ФПО с учетом возможностей повторного использования некоторых программ в последующих разработках. Со временем может быть создана библиотека прикладных программ, реализующих алгоритмы контроля для технических объектов различных классов.

Состав приборов-модулей ИИС определяется прежде всего измерительными задачами, т. е. свойствами объекта контроля. Чем больше число контролируемых параметров, тем большее количество СИ включается в ИИС. Некоторые технические средства ИИС при смене объекта контроля могут оставаться неизменными по функциональному назначению, в других случаях изменяется число кабелей КОП (длина КОП), коммутаторов, устройств внешней памяти. Кроме того, для различных по сложности и функциональному назначению объектов контроля обычно используются однотипные СИ, например мультиметры, электронно-счетные частотомеры, генераторы сигналов. Поэтому один.и тот же состав аппаратуры, включаемой в комплектацию ИИС, предназначенный для контроля технического состояния различных объектов контроля, называют базовой частью (ядром) ИИС. Адаптация базовой ИИС к новым видам контролируемых объектов заключается в уточнении состава приборов-модулей и ФПО. Системы контроля и диагностики широкого профиля могут создаваться на основе базовых ИИС. Разработчику таких систем достаточно только дополнить базовую ИИС необходимыми СИ, разработать соответствующее ФПО, коммутирующие и присоединительные устройства.

Магистральная структура легко позволяет наращивать число функциональных узлов в системе. Эта структура применяется для решения задач автоматизации различных экспериментальных исследований.

В состав ИИС первичные ИП и исполнительные устройства не входят, выбор их типов и размещение на объекте производится специалистами-разработчиками объекта исследования. Современные сложные ИИС часто рассматривают как композицию трех комплексов — информационного (включающего средства измерения и преобразования информации и средства отображения информации), вычислительного (включающего средства обработки и хранения информации и устройства управления) и управляющего (включающего устройство формирования управляющего воздействия).

Управление информационно-вычислительными комплексами от ЭВМ осуществляют специальные программы-драйверы.

Наиболее перспективными для ИИС и ИВК в настоящее время являются модульная система технических средств для обработки данных КАМАК (ГОСТ 27080—93) и приборный интерфейс, рекомендованный Международной электротехнической комиссией (МЭК) в качестве международного стандарта.

ИНТЕРФЕЙСЫ ИНФОРМАЦИОННО-ИЗМЕРИТЕЛЬНЫХ СИСТЕМ

Интерфейс — совокупность цепей, объединяющих различные устройства и алгоритмы, определяющая порядок передачи информации между этими устройствами.

Цепи интерфейса делятся на три группы: информационные, адресные и управляющие.

Различают программные и физические интерфейсы. Информация передается в виде кодов определенного числа или словами.

Для различия байтов данных, команд и адресов используются осведомительные сигналы. Для инициирования передач, синхронизации работы устройств и завершения передачи служат управляющие сигналы.

Основной характеристикой интерфейса является скорость передач информации, которая зависит от алгоритма передачи и технических характеристик цепей связи.

С целью модульного принципа построения систем разработаны стандартные интерфейсы, обеспечивающие информационную, электрическую и конструктивную совместимость различных устройств. К настоящему времени появились структуры интерфейсов: одноступенчатые и двухступенчатые с возможными вариантами исполнения: цепочная, радиальная, магистральная, радиально-магистральная, каждая из которых может быть с централизованным или децентрализованным управлением.

Обмен информацией может быть осуществлен синхронным и асинхронным методами.

Синхронный метод передачи и приема сигналов производится в фиксированные моменты времени. Темп обмена информацией при асинхронном методе определяется сигналом квитирования. Этот метод особенно эффективен при обмене информацией с различным быстродействием функциональных блоков.

В ИИС используются следующие основные интерфейсы: ЕЕЕЕ-480, ISA, EISA, PSKI, PCI, RS-232, RS-485, KAMAK, PDP-11, а также системные интерфейсы: 8, 16, 32-разрядных микроЭВМ и др.

Приборный интерфейс предназначен для взаимодействия программируемых и непрограммируемых приборов и построения на их основе измерительных информационных систем. Соединение приборов осуществляется через многопроходный магистральный канал общего пользования (КОП, зарубежный аналог IEEE-488) длиной не более 20 м. Число приборов, подключаемых к магистрали, не должно превышать 15. Обмен информацией между приборами происходит под управлением контроллера. Всего регламентируется десять интерфейсных функций. Каждая функция позволяет прибору выполнять прием, передачу и определенную обработку сообщений. Функции могут быть реализованы как аппаратно, так и программно.

Интерфейс КАМАК применяется для разветвленных систем сбора информации с большим числом первичных преобразователей и служит для построения ИИС с двумя уровнями централизации.

Основными конструктивами являются крейт, модуль, стойка.

Крейт (каркас) имеет 25 станций (ячеек), в которые вставляются модули (вставные кассеты). Из них 23 станции — рабочие, служат для включения модулей, две вводятся для контроллера крейта (КК). Функциональные блоки (ФБ) могут располагаться произвольно, так как адрес каждому ФБ присваивается после его установки в крейт.

Структурная схема системы в стандарте КАМАК представлена на рисунке.

Магистраль крейта состоит из 81 сквозной шины, проходящей через все модули, и двух индивидуальных шин связи каждого управляемого модуля с контроллером крейта. Внутри крейтовые связи образуют горизонтальный интерфейс системы КАМАК (Dataway). Крейты связываются между собой и с центральной ЭВМ верхнего уровня. Межкрейтовые связи проходят через контроллеры крейтов и строятся по принципам ветви (до семи крейтов вертикальный) или замкнутого кольца. Эти связи образуют интерфейс си стемы КАМАК (Branch highway). Структура КАМАК, таким образом, пирамидальная и включает в себя 2...4 уровня: верхний — ЭВМ; второй — контроллеры ветвей; третий — контроллеры крейтов; четвертый — управляемые модули. Однокрейтовые системы двухуровневые.

Основной принцип, заложенный в системе КАМАК, — принцип использования центральной ЭВМ, направление протоколов команд и информации жестко связано. Для защиты от помех используются экранирование, заземление, согласование характеристик линий связи, а также контроль по четности и повторение передачи кодов.

Основной недостаток системы — большая аппаратурная избыточность и наличие сложной системной части практически в каждом модуле, большая стоимость интерфейса и всей системы в целом. Поэтому стандарт КАМАК следует использовать только в слоеных ИИС.

Интерфейсы периферийной части ЭВМ. Интерфейс «Общая шина» разработан для связи центрального процессора семейства IBM, где используется магистральная система шин с раздельными объединенными шинами для адресных сигналов и данных, а также отдельной шиной для сигналов управления. К каналу обмена информацией между отдельными функциональными блоками ЭВМ можно подключать дополнительные блоки памяти и различные устройства ввода-вывода. Такое расширение возможностей ЭВМ позволяет использовать ее в ИИС, АСУТП и строить на ее базе ИВК.

Обмен информацией между функциональными блоками происходит асинхронно по каналу, который представляет собой магистраль, состоящую из 38 линий.

Интерфейс 2К предназначен для ЭВМ, совместимой с HP. Наибольшее распространение в мировой практике получили ЭВМ фирмы IBM и HP. К сожалению, российские компьютеры не выдержали конкуренции.

Следует отметить специальные промышленные компьютеры фирм Digital Equipment (DE), (CUIA)-PDP-8 и PDP-11, а затем 7531/32 на базе Intel 80286-80486; Texas Micro(CIIIA)-486DK и Pentium; Hewlet Pakard модели 745/747i. Память 16... 128 Мбайт с ОСРВ.

Микропроцессоры и микроЭВМ в ИИС используют для связи приборов в единый комплекс и выполнения следующих функций: контроллерных, вычислительных, тестовых, сервисных и распределенной обработки данных. Кроме того, необходимо отметить функции метасистемы, обеспечивающей выполнение всех перечисленных выше функций и их согласование между собой.

Контроллерные функции. Их можно подразделить на ряд подфункций:

управление измерительной цепью, т.е. переключение каналов и диапазонов, подключение образцовых мер; управление измерительными усилителями. Обычно они выполняются чисто программными методами, иногда с участием таймера — с помощью микропроцессора и портов ввода-вывода;

управление аналого-цифровым преобразователем; управление средствами общения с оператором — управление клавиатурой, индикаторами, звуковой сигнализацией и дисплеем;

управление регистраторами, т.е. печатающими устройствами, самописцами, графопостроителями, накопителями на магнитных носителях;

управление внешней памятью, т.е. быстродействующие накопители на магнитной ленте в режиме двухстороннего обмена на дисках и дополнительные внешние модули памяти.

Вычислительные функции. К ним относятся первичная, вторичная и окончательная обработка данных. Сюда относятся: калибровка, нормализация, масштабирование, фильтрация, сжатие данных, распознавание, устранение ошибок, статистическая обработка, корреляционный, спектральный, амплитудно-временной анализ и др.;

Тестовые функции. К этим функциям относятся обнаружение и локализация неисправности, в большинстве случаев до типового элемента. Известны три класса тестирования: 1) с применением внешних микропроцессорных средств; 2) полностью автономное тестирование; 3) комбинированное.

Для первого класса применяются специальные тестеры микро-ЭВМ. Программы тестирования входят в программное обеспечение тестера или самой системы. Для второго класса — функции тестирования чаще всего выполняет основной процессор ИИС,

однако возможно наличие специального микропроцессорного узла, предназначенного только для автоматической диагностики. Тестирование производится в двух основных режимах: определения работоспособности, диагностики неисправности. При этом хранение программы тестирования может быть осуществлено либо во внешнем устройстве памяти, если оно имеется в ИИС, либо в тестовом ПЗУ.

Сервисные функции. Они расширяют возможности измерительных приборов и систем со всесторонними микропроцессорами или микроЭВМ, увеличивающими объем информации, число режимов измерений и обработки, число параметров и их комбинаций, число дополнительных директив, объем визуальной и звуковой информации, число альтернативных вариантов измерений и обработки.

При этом можно выделить ряд этапов измерения и анализа с применением диалога: ввод задания, сбор и предварительную обработку первичной информации, вторичную обработку и интерпретацию результатов, вывод результатов исследования для интерпретации документации, архивации и управления.

Распределенная обработка данных. Вычислительные функции распределяются между программируемыми контроллерами. Возможность распределения обработки данных обеспечивает высокую надежность управления измерительной информационной системой.

Таким образом, использование микропроцессоров и микроЭВМ в ИИС повышает точность, быстродействие, надежность, помехоустойчивость; расширяет динамический диапазон измерений; улучшает конструктивные показатели, качество метрологического обеспечения; расширяет многофункциональность системы; повышает удобство представления, хранения, регистрации, что способствует созданию интеллектуальных приборов и систем и ремонтопригодности аппаратуры за счет повышения степени взаимозаменяемости, самоконтроля, диагностики, автоподстройки.

Выбор микропроцессора или ЭВМ определяется техническим заданием на ИИС и зависит от необходимого числа входов-выходов, их типа (аналоговый, дискретный) и объема необходимой памяти.

Интеллектуальные измерительные системы. Интеллектуальные измерительные системы способны выполнять все функции измерения и контроля в реальном масштабе времени. Это позволяет системе осуществлять функции измерения и контроля «высокого уровня» без использования больших и дорогих ЭВМ. При автономном функционировании такая система обеспечивает непрерывные измерения и контроль заданных параметров, сбор данных и обработку сигналов. Модульная конструкция позволяет осуществлять постепенное расширение существующей системы путем введения дополнительных модулей и, наконец, превращение ее в систему средств супервизорного или цифрового управления измерительным экспериментом путем включения в нее миниЭВМ.

Интеллектуальные измерительные системы могут индивидуально программироваться на выполнение специфических задач, используя программируемый терминал (программатор) для ввода параметров конфигурирования. Системы обычно имеют средства представления информации: дисплей для визуализации мнемонических символов команд, цифровые индикаторы, дающие оператору всю необходимую информацию, а также клавиши переключения видов работы. Резервный блок питания обеспечивает сохранность программы при отключении питания на длительный период времени.

Интеллектуальные измерительные системы имеют значительные преимущества перед традиционными, описанными выше:

универсальность — стандартные интерфейсы обеспечивают простое подключение к любым системам и оборудованию;

высокая надежность на каждом системном уровне, а также применение четко определенных и универсальных методов обеспечивают безотказную работу;

высокое быстродействие контуров управления процессами измерения и контроля любого производства, а также высокая скорость сбора данных;

взаимозаменяемость — важное свойство, поскольку интеллектуальные системы выпускаются в виде стандартных устройств, индивидуально программируемых в расчете на их специфические функции, каждое из них может быть заменено другим того же функционального назначения. Поэтому каждая система может рассматриваться как резервная для любого типа систем того же класса, что снижает число дополнительных резервных средств измерения, контроля и регулирования и сводит к минимуму аварийный период в маловероятном случае выхода из строя какого-либо элемента.

Структуры и алгоритмы. Структуры интеллектуальных измерительных систем интегрируют в себе все лучшие стороны рассмотренных в этом разделе систем, но более насыщены микропроцессорной и вычислительной техникой.

Применение интеллектуальных измерительных систем позволяет создать алгоритмы измерений, которые учитывают рабочую, вспомогательную и промежуточную информацию о свойствах объекта измерений, условия измерений, предъявляемые специфические требования и накладываемые ограничения. Обладая способностью к перенастройке в соответствии с изменяющимися условиями функционирования, интеллектуальные алгоритмы позволяют повысить метрологический уровень измерений.