Реферат: Автоматизированные измерительные и диагностические комплексы, системы

Вологодский ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

Кафедра химии и общей биологии

РЕФЕРАТ

На тему: Автоматизированные измерительные и диагностические комплексы, системы

и технические устройства.

Подготовил: студент группы ГЭ-21

Асташов К. В.

Принял: преп. Агафонова Н. В.

Вологда

2001

СОДЕРЖАНИЕ

1. Введение в измерительную технику

· Роль и значение измерительной техники. История развития

· Основные понятия и определения

1. Измерительные информационные системы.

· Общая классификация измерительных информационных систем

· Классификация ИИС по функциональному назначению

· Обобщенная структура ИИС

1. Интерфейсы измерительных информационных систем.

· Общие понятия и определения

· Интерфейсные функции

· Приборные интерфейсы

· Машинные интерфейсы

1. Заключение.
2. Список литературы.

ВВЕДЕНИЕ В ИЗМЕРИТЕЛЬНУЮ ТЕХНИКУ

Роль и значение измерительной техники. История развития

Измерительная техника - один из важнейших факторов ускорения научно-

технического прогресса практически во всех отраслях народного хозяйства.

При описании явлений и процессов, а также свойств материальных тел

используются различные физические величины, число которых дости­гает

нескольких тысяч: электрические, магнитные, пространственные и временные;

механические, акустические, оптические, химические, био­логические и др. При

этом указанные величины отличаются не только ка­чественно, но и количественно

и оцениваются различными числовыми значениями.

Установление числового значения физической величины осуществля­ется путем

измерения. Результатом измерения является количественная характеристика в

виде именованного числа с одновременной оценкой степени приближения

полученного значения измеряемой величины к ис­тинному значению физической

величины. Укажем, что нахождение чис­лового значения измеряемой величины

возможно лишь опытным путем, т. е. в процессе физического эксперимента.

При реализации любого процесса измерения необходимы техничес­кие средства,

осуществляющие восприятие, преобразование и представ­ление числового значения

физических величин.

На практике при измерении физических величин применяются элект­рические

методы и неэлектрические (например, пневматические, меха­нические, химические

и др.).

Электрические методы измерений получили наиболее широкое рас­пространение,

так как с их помощью достаточно просто осуществлять пре­образование,

передачу, обработку, хранение, представление и ввод измери­тельной информации

в ЭВМ.

Технические средства и различные методы измерений составляют основу

измерительной техники. Любой производственный процесс харак­теризуется

большим числом параметров, изменяющихся в широких преде­лах. Для поддержания

требуемого режима технологической установки необходимо измерение указанных

параметров. При этом, чем достовернее осуществляется измерение

технологических параметров, тем лучше ка­чество целевого выходного продукта.

Современные предприятия, напри­мер нефтехимического профиля с непрерывным

характером производ­ства, для поддержания качества выпускаемой продукции

используют измерение различных физических параметров, таких, как температура,

объемный и массовый расход веществ, давление, уровень и количество вещества,

время, состав вещества (плотность, влажность, содержание ме­ханических

примесей и др.), напряжение, сила тока, скорость и др. При этом число

требуемых для измерения параметров достигает нескольких тысяч. Например, в

атомной энергетике число требуемых для измерения параметров процессов

достигает десятков тысяч.

Получение и обработка измерительной информации предназначены не только для

достижения требуемого качества продукции, но и органи­зации производства,

учета и составления баланса количества вещества и энергии. В настоящее время

важной областью применения измерительной техники является автоматизация

научно-технических экспериментов. Для повышения экономичности проектируемых

объектов, механизмов и машин большое значение имеют экспериментальные

исследования, прово­димые на их физических моделях. При этом задача получения

и обработки измерительной информации усложняется настолько, что ее

эффективное решение становится возможным лишь на основе применения

специализи­рованных измерительно-вычислительных средств.

Роль измерительной техники подчеркнул великий русский ученый Д.И. Менделеев:

"Наука начинается с тех пор, как начинают измерять...".

Измерительная техника начала свое развитие с 40-х годов XVIII в. и

характеризуется последовательным переходом от показывающих (се­редина и

вторая половина XIX в.), аналоговых самопишущих (конец XIX - начало XX в.),

автоматических и цифровых приборов (середина XX в. - 50-е годы) к

информационно-измерительным системам.

Конец XIX в. характеризовался первыми успехами радиосвязи и

радио­электроники. Ее развитие привело к необходимости создания средств

из­мерительной техники нового типа, рассчитанных на малые входные сигна­лы,

высокие частоты и высокоомные входы. В этих новых средствах изме­рительной

техники использовались радиоэлектронные компоненты -выпрямители, усилители,

модуляторы и генераторы (ламповые, транзис­торные, на микросхемах),

электронно-лучевые трубки (при построении осциллографов) и др.

Таким образом, расширение номенклатуры и качественных показате­лей средств

измерительной техники неразрывно связано с достижениями радиоэлектроники.

Одним из современных направлений развития изме­рительной техники,

базирующейся на достижениях радиоэлектроники, являются цифровые приборы с

дискретной формой представления инфор­мации. Такая форма представления

результатов оказалась удобной для преобразования, передачи, обработки и

хранения информации. Развитие дискретных средств измерительной техники в

настоящее время привело к созданию цифровых вольтметров постоянного тока,

погрешность пока­заний которых ниже 0,0001 %, а быстродействие

преобразователей напря­жение - код достигает нескольких миллиардов измерений

в секунду; верхний предел измерения современных цифровых частотомеров достиг

гигагерца; цифровые измерители временного интервала имеют нижний предел

измерения до долей пикосекунды; электрические токи измеря­ются в диапазоне от

10~16 до 105 А, а длины - в диапазоне от 10~12 (раз­мер атомов) до 3,086 •

1016 м

Широкие возможности открылись перед измерительной техникой в связи с

появлением микропроцессоров (МП) и микроЭВМ. Благода­ря им значительно

расширились области применения средств измеритель­ной техники, улучшились их

технические характеристики, повысились надежность и быстродействие, открылись

пути реализации задач, кото­рые ранее не могли быть решены.

По широте и эффективности применения МП одно из первых мест занимает

измерительная техника, причем все более широко применяются МП в системах

управления. Трудно переоценить значение МП и микроЭВМ при создании

автоматизированных средств измерений, предназначенных для управления,

исследования, контроля и испытаний сложных объектов.

Развитие науки и техники требует постоянного совершенствования средств

измерительной техники, роль которой неуклонно возрастает.

Основные понятия и определения

Понятия и определения, используемые в измерительной технике, регламентируются

ГОСТ 16263-70.

Измерение-это информационный процесс получения опытным путем численного

отношения между данной физической величиной и неко­торым ее значением,

принятым за единицу сравнения.

Результат измерения — именованное число, найденное путем измерения

физической величины. Результат измерения может быть при­нят как

действительное значение измеряемой величины. Одна из основных задач измерения -

оценка степени приближения или разности между истинным и действительным

значениями измеряемой физической величины — погрешности измерения.

Погрешность измерения - это отклонение результата из­мерения от истинного

значения измеряемой величины. Погрешность изме­рения является

непосредственной характеристикой точности измерения.

Точность измерения - степень близости результата измере­ния к истинному

значению измеряемой физической величины.

Измерение уменьшает исходную неопределенность значения физичес­кой величины

до уровня неизбежной остаточной неопределенности, опре­деляемой погрешностью

измерения.

Значение погрешности измерения зависит от совершенства техничес­ких

устройств, способа их использования и условий проведения экспери­мента.

Принцип измерения - это физическое явление или совокупность физи­ческих

явлений, положенных в основу измерения. Примером может слу­жить измерение

температуры с использованием термоэффекта и другие физические явления,

используемые для проведения эксперимента, кото­рые должны быть выбраны с

учетом получения требуемой точности изме­рения.

Измерительный эксперимент - это научно обоснованный опыт для получения

количественной информации с требуемой или возможной точностью определения

результата измерений. Проведение измерительного эксперимента предполагает

наличие технических устройств, которые могут обеспечить заданную точность

получения результата. Технические устрой­ства, участвующие в эксперименте,

заранее нормируются по показателям точности и относятся к средствам

измерений.

Средство измерений - это техническое устройство, используемое в

измерительном эксперименте и имеющее нормированные характерис­тики точности

.

Количественная информация, полученная путем измерения, представ­ляет собой

измерительную информацию.

Измерительная информация — это количественные сведения о свой­стве или

свойствах материального объекта, явления или процесса, получае­мые с помощью

средств измерений в результате их взаимодействия с объектом.

Количество измерительной информации - это численная мера умень­шения

неопределенности количественной оценки свойств объекта.

Взаимодействие объекта исследования и средств измерений в про­цессе

эксперимента предполагает наличие сигналов, которые являются носителями

информации. Важными носителями информации являются электрический ток,

напряжение, импульсы и другие электрические пара­метры.

Измерительный сигнал — сигнал, функционально связанный с изме­ряемой

физической величиной с заданной точностью.

Метод измерения — это совокупность приемов использования прин­ципов и

средств измерений. Важное значение в измерительной технике имеет

единство измерений.

Единство измерений - такое состояние измерений, при котором их результаты

вероятностью. Единство измерений позволяет срав­нивать результаты

различных экспериментов, проведенных в различных условиях, выполненных в разных

местах с использованием разных методов и средств измерений. Это достигается

путем точного воспроизведения и хранения установленных единиц физической

величины и передачи их размеров применяемым средствам измерения.

Перечисленные вопросы составляют предмет метрологии.

Метрология — это учение о мерах, это наука о методах и средствах

обеспечения единства измерений и способах достижения требуемой точ­ности.

Мера предназначена для воспроизведения физической величины данного размера.

Законодательная метрология — это раздел метрологии, включающий комплексы

взаимосвязанных и взаимообусловленных правил, требова­ний и норм, а также

другие вопросы, нуждающиеся в регламентации и контроле со стороны

государства, направленные на обеспечение единства измерений и единообразия

средств измерений. В соответствии с изложен­ным характеристики средств

измерений, определяющие точность измере­ния с их помощью, называют

метрологическими характеристиками средств измерения. Метрологические

характеристики обязательно нормируются и в установленном порядке с целью

обеспечения единства измерений.

Контроль — процесс установления соответствия между состоянием! (свойством)

объекта контроля и заданной нормой. В результате контроля выдается

суждение о состоянии объекта.

ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЕ ИНФОРМАЦИОННЫЕ СИСТЕМЫ

измерительных информационных систем

Измерительная информационная система (ИИС) в соответствии с ГОСТ 8.437—81

представляет собой совокупность функционально объеди­ненных измерительных,

вычислительных и других вспомогательных техни­ческих средств для получения

измерительной информации, ее преобразо­вания, обработки с целью представления

потребителю (в том числе для АСУ) в требуемом виде, либо автоматического

осуществления логических функций контроля, диагностики, идентификации.

В зависимости от выполняемых функций ИИС реализуются в виде измерительных

систем (ИС), систем автоматического контроля (САК), технической диагностики

(СТД), распознавания (идентификации) об­разов (СРО). В СТД, САК и СРО

измерительная система входит как под­система.

Информация, характеризующая объект измерения, воспринимается ИИС,

обрабатывается по некоторому алгоритму, в результате чего на выходе системы

получается количественная информация (и только ин­формация), отражающая

состояние данного объекта. Измерительные информационные системы существенно

отличаются от других типов ин­формационных систем и систем автоматического

управления (САУ). Так, ИИС, входящая в структуры более сложных систем

(вычислительных систем связи и управления), может быть источником информации

для этих систем. Использование информации для управления не входит в функции

ИИС, хотя информация, получаемая на выходе ИИС, может ис­пользоваться для

принятия каких-либо решений, например, для управления конкретным

экспериментом.

Каждому конкретному виду ИИС присущи многочисленные особен­ности,

определяемые узким назначением систем и их технологически конструктивным

исполнением. Ввиду многообразия видов ИИС до на­стоящего времени не

существует общепринятой классификации ИИС.

Наиболее распространенной является классификация ИИС по функ­циональному

назначению. По этому признаку, как было сказано выше, будем различать

собственно ИС, САК, СТД, СРО.

По характеру взаимодействия системы с объектом исследования и обмена

информацией между ними ИИС могут быть разделены на актив­ные и пассивные.

Пассивные системы только воспринимают информацию от объекта, а активные,

действуя на объект через устройство внешних воздействий, позволяют

автоматически и наиболее полно за короткое время изучить

его поведение. Такие структуры широко применяются при автоматизации научных

исследований различных объектов.

В зависимости от характера обмена информацией между объектами и активными ИИС

различают ИС без обратной связи и с обратной связью по воздействию.

Воздействие на объект может осуществляться по заранее установленной жесткой

программе либо по программе, учитывающей реакцию объекта. В первом случае

реакция объекта не влияет на характер воздействия, а следовательно, и на ход

эксперимента. Его результаты могут быть выданы оператору после окончания. Во

втором случае резуль­таты реакции отражаются на характере воздействия,

поэтому обработка ведется в реальном времени. Такие системы должны иметь

развитую вы­числительную сеть. Кроме того, необходимо оперативное

представление информации оператору в форме, удобной для восприятия, с тем

чтобы он мог вмешиваться в ход процесса.

Эффективность научных исследований, испытательных, поверочных работ,

организации управления технологическими процессами с примене­нием ИИС в

значительной мере определяется методами обработки изме­рительной информации.

Операции обработки измерительной информации выполняются в устройствах, в

качестве которых используются специализированные либо универсальные ЭВМ. В

некоторых случаях функции обработки результа­тов измерения могут

осуществляться непосредственно в измерительном тракте, т. е. измерительными

устройствами в реальном масштабе времени.

В системах, которые содержат вычислительные устройства, обработка информации

может производиться как в реальном масштабе времени, так и с предварительным

накоплением информации в памяти ЭВМ, т. е. со сдвигом по времени.

При исследовании сложных объектов или выполнении многофактор­ных

экспериментов применяются измерительные системы, сочетающие высокое

быстродействие с точностью. Такие ИИС характеризуются боль­шими потоками

информации на их выходе.

Значительно повысить эффективность ИИС при недостаточной апри­орной

информации об объекте исследования можно за счет сокращения избыточности

информации, т. е. сокращения интенсивности потоков изме­рительной информации.

Исключение избыточной информации, несущест­венной с точки зрения ее

потребителя, позволяет уменьшить емкость устройств памяти, загрузку устройств

обработки данных, а следователь­но, и время обработки информации, снижает

требования к пропускной способности каналов связи.

При проектировании и создании ИИС большое внимание уделяется проблеме

повышения достоверности выходной информации и снижения вероятностей

возникновения (или даже исключения) нежелательных ситуаций. Этого можно

достичь, если на ИИС возложить функции само­контроля, в результате чего ИИС

способна осуществлять тестовые провер­ки работоспособности средств системы и

тем самым сохранять метроло­гические характеристики тракта прохождения

входных сигналов, проверять достоверность результатов обработки информации,

получаемой посредством измерительных преобразований, и ее представления.

Все более широкое развитие получают системы, предусматривающие автоматическую

коррекцию своих характеристик — самонастраивающие­ся (самокорректирующиеся)

системы.

Введение в такие системы свойств автоматического использования результатов

самоконтроля — активного изучения состояния ИИС — и приспособляемости к

изменению характеристик измеряемых сигналов или к изменению условий

эксплуатации делает возможным обеспечение заданных параметров системы.

Классификация ИИС по функциональному назначению

В зависимости от функционального назначения структуры ИИС под­разделяют по

принципу построения. Рассмотрим основные особенности и отличия.

Собственно измерительные системы используются для различного рода комплексных

исследований научного характера. Они предназначены для работы с объектами,

характеризующимися до начала эксперимента минимумом априорной информации.

Цель создания таких систем заклю­чается в получении максимального количества

достоверной измеритель­ной информации об объекте для составления

алгоритмического описа­ния его поведения.

Обратная связь системы с объектом отсутствует или носит вспомо­гательный

характер. Как отмечалось, информация, полученная на выходе ИИС, может

использоваться для принятия каких-либо решений, создания возмущающих

воздействий, но не для управления объектом. ИИС пред­назначена для создания

дополнительных условий проведения эксперимента, для изучения реакции объекта

на эти воздействия. Следовательно, использо­вание информации не входит в

функции ИИС. Эта информация предостав­ляется человеку-оператору или поступает

в средства автоматической об­работки информации.

Для измерительных систем характерны:

· более высокие по отношению к системам другого вида требования к

метрологическим характеристикам;

· более широкий спектр измеряемых физических величин и в особен­ности

их количество (число измерительных каналов);

· необходимость в средствах представления информации; это связано с

тем, что основной массив информации с выхода систем передается чело­веку для

принятия им решения об изменении условий проведения экспе­римента, его

продолжении или прекращении. Поэтому определяющим требованием является

неискаженное, наглядное и оперативное представ­ление текущей информации с

учетом динамики ее обновления и быстро­действия системы, обеспечивающее

удобство восприятия и анализа чело­веком;

· большой объем внешней памяти для систем, в которых обработка и

анализ результатов осуществляется после завершения эксперимента с помощью

набора различных средств обработки и предоставления информации.

Разновидности ИС

· ИС для прямых измерений, т. е. независимых измерений дис­кретных

значений непрерывных величин;

· статистические ИС, предназначенные для измерения статистичес­ких

характеристик измеряемых величин;

· системы, предназначенные для раздельного измерения зависи­мых величин.

Входными в ИС для прямых измерений являются величины, воспри­нимаемые

датчиками или другими входными устройствами системы. Задача таких ИС

заключается в выполнении аналого-цифровых преобра­зований множества величин и

выдаче полученных результатов измерения.

В рассматриваемых ИС основные типы измеряемых входных величин могут быть

сведены либо к множеству изменяющихся во времени вели­чин, либо к

изменяющейся во времени t и распре­деленной по пространству Л непрерывной

функции х (t, Л). При изме­рении непрерывная функция х (t, Л) представляется

множеством дискрет.

Измерительные системы, производящие измерения дискрет функции x(t, Л),

основаны на использовании многоканальных, многоточечных, мультиплицированных

и сканирующих структур.

Многоканальные системы объединяются в один из самых распространенных классов

измерительных систем параллельного действия, применяемых во всех отраслях

народного хозяйства. Основные причины столь широкого распространения

многоканальных ИС заключаются в возмож­ности использования стандартных,

относительно простых, измеритель­ных приборов, в наиболее высокой схемной

надежности таких систем, в возможности получения наибольшего быстродействия

при одновре­менном получении результатов измерения, в возможности

индивидуального подбора СИ к измеряемым величинам.

Недостатки таких систем — сложность и большая стоимость по срав­нению с

другими системами.

В измерительных системах последовательного действия - сканирую­щих

измерительных системах — операции получения информации выпол­няются

последовательно во времени с помощью одного канала измерения. Если измеряемая

величина распределена в пространстве или собственно координаты точки являются

объектом измерения, то восприятие инфор­мации в таких системах выполняется с

помощью одного сканирующего датчика.

Сканирующие системы находят применение при расшифровке гра­фиков. В медицине,

геофизике, метрологии, при промышленных испыта­ниях, во многих отраслях

народного хозяйства и при научных исследова­ниях затрачивается значительное

время на измерение параметров графичес­ких изображений и представление

результатов измерения в цифровом виде. Для указанных целей промышленностью

выполняются различные специализированные полуавтоматические расшифровочные

устройства и системы ("Силуэт").

Сканирование может выполняться непосредственно воспринимающим элементом или

сканирующим лучом при неподвижном воспринимающем элементе. Такими элементами

могут быть оптико-механические или электронно-развертывающие устройства.

Для измерения координат графических изображений применяются различные

акустические системы. В геологии и картографии, океанологии и других областях

при автоматизации проектирования осуществляются измерения и выдача в цифровом

виде координат сложных графических изображений на фото носителях, чертежах и

документах. При этом генера­тор (полуавтоматические измерения) лишь указывает

точки изображения, координаты которых необходимо измерить. Используемые здесь

датчики, как правило, осуществляют преобразование координат точек в интервалы

времени прохождения световых или акустических импульсов между точ­ками,

координаты которых были измерены.

При использовании в устройствах ЭВМ одновременно со считыванием координат

осуществляют обработку графических изображений по задан­ной программе.

Голографические ИС (ГИС). Основу датчиков составляют лазеры,

представляющие собой когерентные источники света, когерентная опти­ка и

оптоэлектронные преобразователи. Голографические измерительные системы

отличаются высокой чув­ствительностью и повышенной точностью, что послужило

основой широ­кого их применения в голографической интерферометрии.

Голографическая интерферометрия обеспечивает бесконтактное измерение и

одно­временное получение информации от множества точек наблюдаемой по­верхности

с использованием меры измерения — длины световой волны, известной с высокой

метрологической точностью.

Выполнение условий минимальной сложности ИС приводит к необ­ходимости

последовательного многократного использования отдельных устройств

измерительного тракта, а следовательно, к применению ИС параллельно-

последовательного действия, которые носят название многоточечных ИС. Работа

таких ИС основана на принципе квантования измеряе­мых непрерывных величин по

времени.

Измерительные системы с общей образцовой величиной — мультипли­цированные

развертывающие измерительные системы — содержат мно­жество параллельных

каналов. Структура системы включает датчики и устройство сравнения (одно для

каждого канала измерения), источник образцовой величины и одно или несколько

устройств представления из­мерительной информации. Мультиплицированные

развертывающие изме­рительные системы позволяют в течение цикла изменения

образцовой величины (развертки) выполнять измерение значений, однородных по

физической природе измеряемых величин, без применения коммутацион­ных

элементов в канале измерения. Такие ИС имеют меньшее количество элементов по

сравнению с ИС параллельного действия и могут обеспечить практически такое же

быстродействие.

Статистические измерительные системы. Статистический анализ

слу­чайных величин и процессов широко распространен во многих отраслях науки и

техники. При статистическом анализе используются законы рас­пределения

вероятностей и моментные характеристики, а также корреля­ционные спектральные

функции.

Системы для измерения законов распределения вероятностей слу­чайных процессов

- анализаторы вероятностей - могут быть одно- и много­канальными.

Одноканальные анализаторы вероятностей за цикл анализа реализации x(t)

позволяют получить одно дискретное значение функции или плот­ности

распределения исследуемого случайного процесса.

Многоканальные анализаторы позволяют получать законы распреде­ления амплитуд

импульсов и интервалов времени между ними, амплитуд непрерывных временных и

распределенных в пространстве случайных процессов и др. Многоканальные

анализаторы широко используются в ядерной физике, биологии, геофизике, в

химическом и металлургическом производствах. При этом используются

аналоговые, цифровые и смешан­ные принципы построения анализаторов.

Существует два основных метода построения корреляционных изме­рительных

систем. Первый из них связан с измерением коэффициентов корреляции и

последующим восстановлением всей корреляционной функ­ции, второй - с

измерением коэффициентов многочленов, аппроксими­рующих корреляционную

функцию.

По каждому из этих методов система может действовать последова­тельно,

параллельно, работать с аналоговыми или кодоимпульсными сиг­налами и в

реальном времени.

Значительный класс статистических ИС - корреляционные экстремаль­ные ИС —

основан на использовании особой точки — экстремума корре­ляционной функции

при нулевом значении аргумента. Корреляционные экстремальные ИС широко

применяются в навигации, радиолокации, металлообрабатывающей, химической

промышленности и в других об­ластях для измерения параметров движения

разнообразных объектов.

Выделение сигналов на фоне шумов, измерение параметров движе­ния,

распознавание образов, идентификация, техническая и медицинская диагностика -

это неполный перечень областей практического приме­нения методов и средств

корреляционного анализа. В настоящее время подавляющий объем статистического

анализа выполняется корреляцион­ными ИС, содержащими ЭВМ, либо отдельными

устройствами со сред­ствами микропроцессорной техники.

Системы спектрального анализа предназначены для количественной оценки

спектральных характеристик измеряемых величин. Существую­щие методы

спектрального анализа основываются на применении частот­ных фильтров или на

использовании ортогональных преобразований слу­чайного процесса и

преобразований Фурье над известной корреляционной функцией.

Различают параллельный фильтровый анализ (полосовые избиратель­ные фильтры-

резонаторы), последовательный фильтровый анализ (пере­страиваемые фильтры и

гетеродинные анализаторы), последовательно-параллельный анализ.

Достоинства бесфильтровых анализаторов, основанных на определе­нии

коэффициентов ряда Фурье, связаны с получением высокой разре­шающей

способности, что позволяет их использовать для детального ана­лиза

определенных участков спектра.

Системы для раздельного измерения взаимосвязанных величин при­меняются в

следующих случаях:

· исследуемое явление или объект характеризуется множеством

неза­висимых друг от друга величин и при нали­чии селективных датчиков можно

осуществить измерение всех значений

· при независимых, но не селективных датчиках, сигналы на вы­ходе

которых содержат составляющие от нескольких величин, встает задача выделения

каждой измеряемой величины;

· если элементы связаны между собой, то также необходимо осуществить

раздельное измерение величин х.

Наиболее типичные задачи взаимно связанных измерений - измерение концентрации

составляющих многокомпонентных жидких, газовых или твердых смесей или

параметров компонентов сложных элек­тронных цепей без гальванического

расчленения.

При раздельном измерении взаимосвязанных величин осуществляется воздействие

на многокомпонентное соединение в целях селекции и измере­ния нужного

компонента. Для механических и химических соединений существуют различные

методики и средства такого раздельного измерения: масс-спектрометрия,

хроматография, люминесцентный анализ и др.

Системы, измеряющие коэффициенты приближающих многочленов, называются

аппроксимирующими (АИС) и предназначены для количест­венного описания

величин, являющихся функциями времени, простран­ства или другого аргумента, а

также их обобщающих параметров, опреде­ляемых видом приближающего многочлена.

Информационные операции в АИС выполняются последовательным, параллельным или

смешанным способом. АИС реализуются с разомкнутой или замкнутой

информационной обратной связью, в виде аналоговых или цифровых устройств.

При создании и использовании АИС выбирают тип приближающего многочлена и с

учетом заданной погрешности аппроксимации определяют порядок функции.

Реализация задач АИС требует знания априорных сведений об исход­ной функции,

учета метрологических требований к измерениям и др. При этом в качестве

базисных функций могут быть выбраны ряды Фурье, разложения Фурье-Уолша,

Фурье-Хаара, многочлены Чебышева, Лагранжа, Лежандра, Лагерра и др.

К основным областям применения АИС относятся измерение статис­тических

характеристик случайных процессов и характеристик нелиней­ных объектов,

сжатие радиотелеметрической информации и информации при анализе изображений,

фильтрация-восстановление функций, генерация сигналов заданной формы.

Системы автоматического контроля (САК). Системы автоматичес­кого

контроля предназначены для контроля технологических процессов, при этом

характер поведения и параметры их известны. В этом случае объ­ект контроля

рассматривается как детерминированный.

Эти системы осуществляют контроль соотношения между текущим (измеренным)

состоянием объекта и установленной "нормой поведения" по известной

математической модели объекта. По результатам обработки полученной информации

выдается суждение о состоянии объектов конт­роля. Таким образом, задачей САК

является отнесение объекта к одному из возможных качественных состояний, а не

получение количественной информации об объекте, что характерно для ИС.

В САК благодаря переходу от измерения абсолютных величин к от­носительным (в

процентах "нормального" значения) эффективность ра­боты значительно

повышается. Оператор САК при таком способе коли­чественной оценки получает

информацию в единицах, непосредственно характеризующих уровень опасности в

поведении контролируемого объ­екта (процесса).

Как правило, САК имеют обратную связь, используемую для воздей­ствия на

объект контроля. В них внешняя память имеет значительно мень­ший объем, чем

объем памяти ИС, так как обработка и представление информации ведутся в

реальном ритме контроля объекта.

Объем априорной информации об объекте контроля в отличие от ИС достаточен для

составления алгоритма контроля и функционирова­ния самой САК,

предусматривающего выполнение операций по обработ­ке информации. Алгоритм

функционирования САК определяется пара­метрами объекта контроля. Например,

существуют параметры, кратко­временное отклонение которых от "нормального"

значения может по­влечь за собой возникновение аварийной ситуации;

кратковременное от­клонение других параметров существенно не влияет на

нормальный ход процесса и поведение объекта; третья группа параметров

используется для расчета технико-экономических показателей (расход сырья,

выход основ­ного продукта и т. д.).

По сравнению с ИС эксплуатационные параметры САК более высокие: длительность

непрерывной работы, устойчивость и воздействие промыш­ленных помех,

климатические и механические воздействия.

В настоящее время в основу классификации САК положена общая классификация ИИС

с учетом специфики функций, выполняемых САК.

Системы автоматического контроля могут быть встроенные в объект контроля и

внешние по отношению к нему. Первые преимущественно при­меняются в сложном

радиоэлектронном оборудовании и входят в комп­лект такого оборудования.

Вторые обычно более универсальны.

Системы технической диагностики (СТД). Они относятся к классу ИИС,

так как здесь обязательно предполагается выполнение измеритель­ных

преобразований, совокупность которых составляет базу для логичес­кой процедуры

диагноза. Цель диагностики - определение класса состоя­ний, к которому

принадлежит состояние обследуемого объекта.

Диагностику следует рассматривать как совокупность множества возможных

состояний объекта, множества сигналов, несущих информа­цию о состоянии

объекта, и алгоритмы их сопоставления.

Объектами технической диагностики являются технические системы. Элементы

любого технического объекта обычно могут находиться в двух состояниях:

работоспособном и неработоспособном. Поэтому задачей систем технической

диагностики СТД является определение работоспособ­ности элемента и

локализация неисправностей.

Основные этапы реализации СТД:

· выделение состояний элементов объекта диагностики контролируемых

величин, сбор необходимых статистических данных, оценка затрат труда на

проверку;

· построение математической модели объекта и разработка програм­мы

проверки объекта;

· построение структуры диагностической системы.

Элементы объекта диагноза, как правило, недоступны для непосред­ственного

наблюдения, что вызывает необходимость проведения проце­дуры диагноза без

разрушения объекта. В силу этого в СТД преимуществен­но применяются косвенные

методы измерения и контроля.

В отличие от ИС и САК система технической диагностики имеет иную организацию

элементов структуры и другой набор используемых во вход­ных цепях устройств и

преобразователей информации. Входящий в состав структуры СТД набор средств

обработки, анализа и представления информации может оказаться значительно

более развитым, чем в ИС и САК. В СТД определение состояния объекта

осуществляется программными средствами диагностики. При поиске применяется

комбинационный или последовательный метод.

При комбинационном поиске выполняется заданное число проверок независимо от

порядка их осуществления. Последовательный поиск свя­зан с анализом

результатов каждой проверки и принятием решения на проведение последующей

проверки. Системы технической диагностики подразделяют на специализированные

и универсальные.

По целевому назначению различают диагностические и прогнозирую­щие СТД.

Диагностические системы предназначены для установления точного диагноза, т.

е. для обнаружения факта неисправности и локали­зации места неисправности.

Прогнозирующие СТД по результатам про­верки в предыдущие моменты времени

предсказывают поведение объекта в будущем.

По виду используемых сигналов СТД подразделяют на аналоговые и кодовые. По

характеру диагностики или прогнозирования различают статистические и

детерминированные СТД. При статистической оценке объекта решение выносится на

основании ряда измерений или проверок сигналов, характеризующих объект. В

детерминированной СТД пара­метры измерения реального объекта сравниваются с

параметрами образцовой системы (в СТД должны храниться образцовые параметры

прове­ряемых узлов). Системы технической диагностики подразделяют также на

автоматические и полуавтоматические, а по воздействию на проверяе­мые объекты

они могут быть пассивными и активными. В пассивной СТД результат диагностики

представляется на световом табло либо в виде ре­гистрационного документа, т.

е. результатом проверки является только сообщение о неисправности. При

активной проверке СТД автоматически подключает резерв или осуществляет

регулирование параметров отдельных элементов. Конструктивно СТД подразделяют

на автономные и встроенные (или внешние и внутренние).

Системы распознавания образов (СРО). Предназначены для

опреде­ления степени соответствия между исследуемым объектом и эталонным

образом.

Для задач классификации биологических объектов и дактилоскопи­ческих снимков,

опознавания радиосигналов и других создаются специаль­ные системы

распознавания образов. Эти системы осуществляют распознавание образов через

количественное описание признаков, характеризую­щих данный объект

исследования.

Процесс распознавания реализуется комбинацией устройств обработ­ки и

сравнения обработанного изображения (описания образа) с эталон­ным образом,

находящимся в устройстве памяти. Распознавание осущест­вляется по

определенному, заранее выбранному, решающему правилу. При абсолютном описании

образа изображение восстанавливается с задан­ной точностью, а относительное

описание с набором значений отличитель­ных признаков (например, спектральных

характеристик), не обеспечивая полное воспроизведение изображения.

Как пример СРО можно привести голографические распознающие системы (PC). В

этих системах распознавание изображений осуществля­ется с относительно

высокой скоростью (от 103 до 106 изображений в секунду благодаря

параллельному анализу голограмм). Голографические PC нашли широкое применение

при поиске химических элементов по спектрам их поглощения и в навигации при

определении положения объ­екта по наземным ориентирам. В голографических PC

удачно сочетаются высокая производительность оптических методов сбора и

обработка инфор­мации с логическими и вычислительными возможностями ЭВМ.

Телеизмерительные информационные системы (ТИИС). Они

отлича­ются от ранее рассмотренных в основном длиной канала связи. Канал связи

является наиболее дорогой и наименее надежной частью этих сис­тем, поэтому для

ТИИС резко возрастает значение таких вопросов, как надежность передачи

информации.

Телеизмерительные ИИС могут быть одно- или многоканальными. Они

предназначаются для измерения параметров сосредоточенных и рассредоточенных

объектов. В зависимости от того, какой параметр несущего сигнала используется

для передачи информации, можно выделить ТИИС:

· интенсивности, в которых несущим параметром является значение

тока или напряжения;

· частотные (частотно-импульсные), в которых измеряемый параметр

меняет частоту синусоидальных колебаний или частоту следования им­пульсов;

· времяимпульсные, в которых несущим параметром является дли­тельность

импульсов; к ним же относятся фазовые системы, в которых измеряемый параметр

меняет фазу синусоидального сигнала или сдвиг во времени между двумя

импульсами;

· кодовые (кодоимпульсные), в которых измеряемая величина переда­ется

какими-либо кодовыми комбинациями.

Системы интенсивности подразделяются на системы тока и системы напряжения в

зависимости от того, какой вид сигнала используется для информации. Этим

системам присущи сравнительно большие погреш­ности, и они используются при

передаче информации на незначительное расстояние.

Частотные ТИИС имеют большие возможности, поскольку в них прак­тически

отсутствуют погрешности, обусловленные влиянием линий связи, и возрастает

дальность передачи информации по сравнению с системами интенсивности.

Время-импульсные системы по длительности применяемых для пере­дачи импульсов

подразделяют на две группы: системы с большим перио­дом (от 5 до 50 с) и

системы с малым периодом (менее десятых долей секунды).

Длиннопериодные системы применяются в основном для измерения медленно

меняющихся неэлектрических величин (уровень жидкости, давление газов и др.).

Короткопериодные системы имеют большое быстродействие. Для передачи коротких

импульсов требуется большая полоса частот, пропус­каемых каналом связи. В

силу этого такие системы с проводными лини­ями связи (ЛС) используются редко.

В последнее время получили широкое развитие адаптивные ТИИС, в которых

алгоритмы работы учитывают изменение измеряемой величи­ны или окружающих

условий (воздействий).

Основная цель применения адаптивных ТИИС состоит в исключении избыточности

выдаваемой системой измерительной информации и в со­хранении или оптимизации

метрологических характеристик (помехоус­тойчивости, быстродействия,

погрешностей) при изменении условий из­мерительного эксперимента.

В адаптивных ТИИС используются алгоритмы адаптивной дискрети­зации и могут

быть использованы алгоритмы адаптивной аппроксимации.

Обобщенная структура ИИС

Рассмотренные выше измерительные информационные системы пока­зывают, что

почти для каждого типа ИИС используется цепочка из аппарат­ных модулей

(измерительных, управляющих, интерфейсных, обрабатываю­щих). Таким образом,

обобщенная структурная схема ИИС содержит:

· множество различных первичных измерительных преобразователей,

размещенных в определенных точках пространства стационарно или перемещающихся

в пространстве по определенному закону;

· множество измерительных преобразователей, которое может состо­ять из

преобразователей аналоговых сигналов, коммутаторов аналоговых сигналов,

аналоговых вычислительных устройств, аналоговых устройств памяти, устройств

сравнения аналоговых сигналов, аналоговых каналов связи, аналоговых

показывающих и регистрирующих измерительных приборов;

· группу аналого-цифровых преобразователей, а также аналоговых

устройств допускового контроля;

· множество цифровых устройств, содержащее формирователи им­пульсов,

преобразователи кодов, коммутаторы, специализированные цифровые

вычислительные устройства, устройство памяти, устройство сравнения кодов,

каналы цифровой связи, универсальные программируе­мые вычислительные

устройства - микропроцессоры, микроЭВМ и др.;

· группу цифровых устройств вывода, отображения и регистрации, которая

содержит формирователи кодоимпульсных сигналов, печатающие устройства записи

на перфоленту и считывания с перфоленты, накопите­ли информации на магнитной

ленте, на магнитных дисках и на гибких магнитных дисках, дисплеи,

сигнализаторы, цифровые индикаторы;

· множество цифроаналоговых преобразователей;

· указанные функциональные блоки соединяются между собой через

стандартные интерфейсы или устанавливаются жесткие связи;

· интерфейсные устройства (ИФУ), содержащие системы шин, интер­фейсные

узлы и интерфейсные устройства аналоговых блоков, служа­щие главным образом

для приема командных сигналов и передачи ин­формации о состоянии блоков.

Например, через интерфейсные устрой­ства могут передаваться команды на

изменение режима работы, на под­ключение заданной цепи с помощью коммутатора;

· устройство управления, формирующее командную информацию, принимающее

информацию от функциональных блоков и подающее ко­манды на исполнительные

устройства для формирования воздействия на объект исследования (ОИ).

Однако не для всякой ИИС требуется присутствие всех блоков. Для каждой

конкретной системы количество блоков, состав функций и связи между блоками

устанавливаются услови­ями проектирования.

ИНТЕРФЕЙСЫ ИЗМЕРИТЕЛЬНЫХ СИСТЕМ

Общие понятия и определения

В настоящее время ИИС находят все более широкое применение в различных

областях науки и техники. Они применяются в качестве компонентов сложных

информационно-вычислительных комплексов и систем автоматизации. Особенно

важную роль играют автоматические ИИС, ис­пользующие ЭВМ для программного

управления работой системы.

Возросшие объемы проводимых измерений привели к широкому использованию

программно-управляемых СИ. При этом возросшие требо­вания к характеристикам

СИ оказали существенное влияние на методы сопряжения устройств, образующих

ИИС.

Информационно-измерительные системы содержат ряд подсистем: измерительную,

сбора, преобразования, предварительной обработки данных и подсистемы

управления СИ в целом. Все подсистемы в ИИС соединены между собой в единую

систему. Кроме того, ИИС в настоящее время проек­тируют на основе агрегатного

(модульного) принципа, по которому уст­ройства, образующие систему,

выполняются в виде отдельных, самостоя­тельных изделий (приборов, блоков). В

составе ИИС эти устройства выпол­няют определенные операции и взаимодействуют

друг с другом, переда­вая информационные и управляющие сигналы через систему

сопряжения.

Для унифицированных систем сопряжения между устройствами, участ­вующими в

обмене информации, стал общепринятым термин интерфейс (interface). Под

интерфейсом (или сопряжением) понимают совокуп­ность схемотехнических

средств, обеспечивающих непосредственное взаимодействие составных элементов

ИИС (ГОСТ 15971—74). Устройства подсоединяются к системе сопряжения и

объединяются в ИИС по опреде­ленным правилам, относящимся к физической

реализации сопряжении. Конструктивное исполнение этих устройств,

характеристики вырабатывае­мых и принимаемых блоками сигналов и

последовательности выдавае­мых сигналов во времени позволяют упорядочить

обмен информацией между отдельными функциональными блоками (ФБ).

Под интерфейсной системой понимают совокупность логических уст­ройств,

информационной, электрической и конструктивной совместимости. Интерфейсная

система также реализует алгоритмы взаи­модействия функциональных модулей в

соответствии с установленными нормами и правилами.

Возможны два подхода к организации взаимодействия элементов системы и

построению материальных связей между ними:

жесткая унификация и стандартизация входных и выходных пара­метров элементов

системы;

использование функциональных блоков с адаптивными характерис­тиками по

входам-выходам.

На практике часто сочетают оба подхода. Стандартизация интерфей­сов позволяет:

· проектировать ИИС различных конфигураций;

· значительно сократить число типов СИ и их устройств сопряжения;

· ускорить и упростить разработку отдельных СИ и ИИС в целом;

· упростить техническое обслуживание и модернизацию ИИС;

· повысить надежность ИИС.

Применение развитых стандартных интерфейсов при организации ИИС позволяет

обеспечить быструю компоновку системы и разработку программ управления СИ.

Основной структурной единицей ИИС является функциональный блок ФБ, который

представляет собой один или несколько объединенных и взаимодействующих между

собой измерительных преобразователей. Взаимодействие ФБ осуществляется через

интерфейсные блоки ИБ по командам, организующим обмен данными. Команды

управления форми­руются в управляющем блоке УБ и воздействуют на интерфейсные

блоки через контроллер (К).

Между ФБ ИИС осуществляется обмен информационными и управляющими

сообщениями. Информационное сообщение содержит сведения о значении

измеряемого параметра, диапазоне измерения, времени изме­рения, результатах

контроля состояния измерительных каналов и др. Управляющее сообщение содержит

сведения о режиме работы ФБ, поряд­ке выполнения ими последовательности

операций во времени, команде контроля состояния измерительных каналов.

Интерфейс может быть общим для устройств разных типов, наиболее распространенные

интерфейсы определены международными, государ­ственными и отраслевыми

стандартами. Стандарт (ГОСТ 26016—81 "Еди­ная система стандартов

приборостроения. Интерфейсы, признаки клас­сификации и общие требования")

включает четыре признака классифика­ции: способ соединения комплектов 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).

Указанные признаки позволяют характеризовать только определен­ные аспекты

организации интерфейсов.

Более полная характеристика и систематизация интерфейсов могут быть выполнены

при условии классификации по нескольким совокупнос­тям признаков:

функциональному назначению, логической функциональ­ной организации и

физической реализации.

К основным характеристикам интерфейса относятся следующие: функциональное

назначение; структура или тип организации связей; принцип обмена информацией;

способ обмена данными; режим обмена данными; номенклатура шин и сигналов;

количество линий; количество линий для передачи данных; количество адресов;

количество команд; быстродействие; длина линий связи; число подключаемых

устройств; тип линии связи.

Соединение отдельных приборов и блоков между собой осуществля­ется линиями

связи или линиями интерфейса. Линии интерфейса могут объединяться в группы

для выполнения одной из операций в программно-управляемом процессе передачи

данных. Эти группы линий называются шинами интерфейса. Назначение отдельных

линий и шин, их номенклатура и взаимное расположение в системе (топологии)

являются базовыми при рассмотрении функционирования любого интерфейса.

В отечественных и зарубежных микропроцессорных измерительно-управляющих

вычислительных системах (МП ИУВС) распространены асинхронные мультиплексные

интерфейсы с параллельным способом передачи информации: 8-разрядные

интерфейсы Microbus; 16-разрядные интерфейсы общая шина (Unibus), Microbus,

интерфейс микроЭВМ "Элек­троника 60" (Q-bus, LSI-11).

Для связи датчиков информации, исполнительных элементов, терри­ториально

удаленных от процессора на десятки и сотни метров, в МП ИУВС применяют

интерфейсы периферийных устройств. В таких интер­фейсах используются как

параллельный, так и последовательный спосо­бы обмена информацией. При этом

последний по причине существенного упрощения собственно линии связи, а

следовательно, и снижения стои­мости наиболее предпочтителен, если при этом

обеспечивается необходи­мая скорость передачи информации.

В последнее время в связи с развитием микро- и мультипроцессорных ИУВС,

отдельные микропроцессоры или устройства ввода-вывода кото­рых могут отстоять

друг от друга территориально на сотни метров (на­пример, заводская или

цеховая ИУВС), все более широко применяются системные интерфейсы или

интерфейсы локальных сетей. Системный интерфейс, как правило, имеет

многоуровневую архитектуру (совокуп­ность) аппаратных и программных средств.

Из зарубежных локальных сетей наиболее известны DEC net фирмы "Digital

Equipment Corp", z-net фирмы "Zilog Inc", сеть фирмы IBM, Om minet фирмы

"Corvus Inc" и др.

При построении ИИС, согласно ГОСТ 22316-77, должны применяться следующие

структуры соединения функциональных блоков между собой:

· цепочечное соединение, при котором единственный выход

предшест­вующего блока соединен с единственным входом последующего блока,

так что соединенные блоки образуют цепь;

· радиальное соединение, при котором один блок соединен одновремен­но

с несколькими блоками, причем с каждым из них отдельной независи­мой линией;

· магистральное соединение, при котором входы и (или) выходы

сопрягаемых блоков соединены одной общей линией.

В цепочечной структуре каждая пара источник-прием­ник соединена попарно

линиями от выходов предыдущих ФБ ко входам последующих, обмен данными

происходит непосредственно между бло­ками или приборами. Функции управления

распределены между этими устройствами. Цепочечную структуру интерфейсов

используют, как пра­вило, в несложных системах с несколькими функциональными

уст­ройствами.

В системе, выполненной по радиальной структуре, 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. Под управлением контроллера происходит обмен

данными между каждым устройством и контроллером. Связи между управляющим

устройством и одним из устройств-источников или приемников сигналов может

осу­ществляться как по инициативе контроллера, так и по инициативе уст­ройств

(абонентов). В последнем случае одно из устройств вырабатывает сигнал запроса

на обслуживание, а контроллер идентифицирует запраши­ваемое устройство. Когда

контроллер готов к обмену данными, логически подключаются цепи связи и

начинается процесс обмена. Эти цепи остаются подключенными, пока не будет

передана нужная порция информации.

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. В

интерфейсах с радиальной структурой чаще всего приоритет зависит от места

подключения кабеля, соединяющего абонент (ФБ) с контроллером.

Радиальное соединение функциональных блоков позволяет достаточ­но просто и

быстро осуществлять адресацию и идентификацию требуе­мого ФБ.

К недостаткам радиальной структуры можно отнести большую дли­ну

соединительных линий, а также сложность контроллера, что приводит к

увеличению стоимости ИС.

В системах с магистральной структурой вместо группы индивидуальных шин

имеются коллективные шины, к которым подсоеди­няются все источники и

приемники информации и контроллер.

По принципу обмена информацией интерфейсы подразделяют на па­раллельные,

последовательные и параллельно-последовательные. При параллельной передаче

цифровых данных численное значение величины, содержащее т битов, транслируют

по т информационным линиям. Это сообщение одновременно и полностью может быть

введено в интерфейс, а также воспринято приемником. Интерфейсные устройства

параллель­ного ввода-вывода информации позволяют согласовать во времени

процесс обмена данными между ЭВМ и периферийным устройством.

Интерфейсные функции

Основные функции интерфейса заключаются в обеспечении информа­ционной,

электрической и конструктивной совместимости между функ­циональными

элементами системы

Информационная совместимость - это согласованность взаимодей­ствий

функциональных элементов системы в соответствии с совокупностью логических

условий. Логические условия определяют:

· структуру и состав унифицированного набора шин;

· набор процедур по реализации взаимодействия и последовательности их

выполнения для различных режимов функционирования;

· способ кодирования и форматы данных, команд, адресной информации и

информации состояния;

· временные соотношения между управляющими сигналами.

Логические условия информационной совместимости определяют функциональную и

структурную организацию интерфейса и для большин­ства интерфейсов

стандартизируются. 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;

· схему согласования линии;

· допускаемую длину линии и порядок подключения линий к разъемам;

· требования к источникам и цепям электрического питания;

· требования к помехоустойчивости и заземлению.

Условия конструктивной совместимости определяют:

· типы соединительных элементов (разъем, штекер);

· распределение сигналов интерфейса по контактам соединительных

элементов;

· типы конструкции платы, каркаса, стойки;

· конструкции кабельного соединения.

Выполнение информационных электрических и конструктивных усло­вий интерфейса

необходимо, но не достаточно для взаимного сопряжения устройств и обмена

данными между ними. Эти устройства должны выпол­нять в определенной

последовательности операции, связанные с обме­ном информации: распознавать

адрес сообщения, подключаться к линиям интерфейса, передавать сообщение в

интерфейс, принимать его из интер­фейса и др.

Интерфейсные функции отличаются от приборных, связанных непо­средственно с

проведением измерения, т. е. с преобразованием данных, их накоплением,

первичной обработкой, представлением и др.

Интерфейсные функции обеспечивают совместимость друг с другом различных

приборов, не ограничивая работоспособность других приборов в системе.

Функции, которые устройства выполняют чаще всего, называют­ся основными. К

ним относятся:

· выдача и прием информации (выполняются источниками и приемни­ками

информации);

· управление передачей данных (функция контроллера);

· согласование источника информации (выполняется устройством-

источником или контроллером);

· согласование приемника информации (выполняется устройством-

приемником или контроллером).

Функции контроллера может выполнять не только одно, но и несколь­ко устройств

в системе.

Основные функции интерфейса, которые необходимо реализовать для обеспечения

информационной совместимости, определяются функ­циональной организацией

интерфейса. На канал управления возложены функции селекции информационного

канала, синхронизации обмена ин­формацией, координации взаимодействия, а на

информационный' канал возлагаются функции буферного хранения информации,

преобразования формы представления информации и др.

Селекция, или арбитраж, информационного канала обеспечивает одно­значность

выполнения процессов взаимодействия сопрягаемых элементов системы.

Анализ возможных вариантов реализации способов селекции уст­ройств на

информационной магистрали позволяет выделить следующие операции селекции:

инициирование запроса, выделение приоритетного запроса, идентификация

запроса.

Инициирование запроса включает в себя процедуры выдачи, хране­ния и

восприятия запроса на организацию процесса взаимодействия. Сиг­налы запроса

могут храниться в регистре управляющего блока (радиаль­ная структура шины

запроса) или на отдельных триггерах каждого интер­фейсного блока

(магистральная структура шины запроса).

Функция выделения приоритетного запроса осуществляется на основе анализа

сигналов занятости информационного канала, разрешения прио­ритетного

прерывания, запроса источника сообщения и зависит от числа уровней

приоритета.

Идентификация запроса заключается в определении адреса приори­тетного

источника запроса. В машинных интерфейсах получаемая при запросе адресная

информация называется вектором прерывания. Послед­ний обозначает начальный

адрес программы обслуживания прерывания от данного устройства.

Функция синхронизации определяет временное согласование процес­сов

взаимодействия между функциональными устройствами системы.

Функция координации определяет совокупность процедур по орга­низации и

контролю процессов взаимодействия устройств системы. Ос­новными операциями

координации являются настройка на взаимодей­ствие, контроль взаимодействия,

передача функций управления (на­стройки) .

В момент обращения одного устройства к вызываемому последнее может находиться

в состоянии взаимодействия или в нерабочем состоя­нии. Поэтому процессы

взаимодействия элементов системы могут иметь два уровня конфликтных ситуаций

при доступе: к информационному каналу интерфейса и к устройству системы.

Таким образом, операция настройки включает процедуры опроса и анализа

состояния вызывае­мого устройства, а также передачи команд и приема

информации сос­тояния. Последовательность операций настройки может быть

различной и зависит от сложности алгоритмов работы функциональных устройств

системы. В большинстве случаев алгоритмы настройки дополняются про­граммным

способом посредством передачи кодов команд и состояний по информационной

шине.

Операции контроля направлены на обеспечение надежности функцио­нирования

интерфейса и достоверности передаваемых данных. В процес­сах асинхронного

взаимодействия возможно возникновение так называе­мых тупиковых ситуаций,

приводящих к искажениям кодовых комби­наций передаваемых данных. Поэтому в

операции контроля входят раз­решение тупиковых ситуаций асинхронного процесса

взаимодействия и повышение достоверности передаваемых данных. Контроль

тупиковых ситуаций взаимодействия основывается на измерении фиксированного

интервала времени, в течение которого должно поступать ожидаемое асин­хронное

событие. Если за контролируемый интервал времени событие не поступает, то

фиксируется неисправность. Операция контроля тупико­вых ситуаций получила

название "тайм-аут".

Контроль передаваемых данных основывается на использовании кодов, построенных

на известных принципах избыточного кодирования инфор­мации (циклические коды,

код Хеминга, контроль кодов на четность и др.).

В целях повышения надежности управления и эффективности исполь­зования

составных элементов системы необходима передача функции координации между

функциональными устройствами. Эта операция пере­дачи управления характерна

для интерфейсов с децентрализованной струк­турой управления.

Повышение надежности достигается резервированием управления (при отключении

питания или отказе интерфейсного модуля, выполняю­щего функции управления

интерфейсом).

Повышение эффективности использования оборудования системы достигается

исключением дублирования дорогостоящих устройств путем доступа к ним с

разделением времени двух и более контроллеров и ЭВМ.

Информационный канал интерфейса предназначен для реализации функции обмена и

преобразования информации.

Основными процедурами функции обмена является прием и выдача информации

(данных, состояния, команд, адресов) регистрами состав­ных устройств системы.

Основные процедуры функции преобразования следующие: преобразование

последовательного кода в параллельный и наоборот; перекодирование информации;

дешифрация команд, адресов; логические действия над содержимым регистра

состояния.

Приборные интерфейсы

Проектирование ИИС выполняется на основе модульного принципа построения, что

привело к необходимости разработки правил, регламен­тирующих основные

требования к совместимости этих блоков. Данный принцип впервые был применен в

области ядерно-химических измерений, где требуется сложная аппаратура с

высокой степенью автоматизации и активным использованием ЭВМ для контроля,

управления, сбора и пер­вичной обработки данных. Поэтому именно в этой

области впервые про­ведена стандартизация на правила сопряжения блоков.

В США для модулей (блоков) ядерной электроники с транзистор­ными схемами в

1966 г. был принят стандарт NIM (Nuclear Instrument Module). В нем

установлены механические и электрические требования к блокам. Этот стандарт

впоследствии получил распространение в странах Западной Европы. Указанный

стандарт позволил осуществить обмен дан­ными модульных блоков с ЭВМ. Следует

отметить, что такие понятия, как канал передачи данных и интерфейс, процесс

обмена данными и др., были перенесены из вычислительной в измерительную

технику.

Реализация принципов программного управления работой ИИС при­вела к развитию

приборных систем; разработки интерфейсов для них появились на рубеже 60 - 70-

х годов. Приборные интерфейсы служат для компоновки различных комплексов из

стандартных измерительных приборов, устройств ввода-вывода и управляющих

устройств.

Пример, фирма "Philips" разработала систему сопряжения Partyline - System,

предназначенную для объединения в ИИС до 15 приборов. С помощью стандартного

кабеля приборы последовательно соединяются друг с дру­гом (в произвольном

порядке) и с ЭВМ. Для этого в каждом приборе имеются два разъема, соединенные

между собой одноименными контак­тами. Каждый прибор содержит специальное

устройство согласования из­мерительного оборудования с интерфейсом.

Построение интерфейса осуществляется по магистральному принци­пу для передачи

цифровых сигналов. Информация передается по шести шинам: адресной (4 линии),

измерительной (5 линий), управления (4 линии), а также по шинам

синхронизации, диагностики операций и пере­дачи команд печати (все по одной

линии). Стандартный кабель содержит шесть соединительных линий. Каждому

прибору (измерительному блоку) присваивается свой адрес, представленный

четырьмя разрядами двоичного кода. Передача данных производится в

параллельно-последовательном ви­де (в двоичном коде). Под действием

управляющих сигналов выходная информация последовательно передается с декад

на линии интерфейса (измерительную шину). По этим же линиям передается

кодированная информация, а также полярность измеряемых величин, режим работы

и др.

Принцип работы приборного интерфейса следующий. При появлении информации

от источника к приемнику работа обоих приборов координи­руется сигналами по

линиям шины синхронизации. При этом цикл переда­чи информации состоит из

четырех фаз:

· источник выставляет информационный байт;

· источник выставляет сигналы на шине синхронизации;

· приемник принимает информацию,

· приемник подготавливается к приему нового байта информации.

Приборный интерфейс имеет следующие ограничения: число прибо­ров не более 15,

максимальная допустимая длина кабеля связи — 20 м, максимальная скорость

передачи по магистрали - 1 Мбайт/с.

Логические уровни сигналов выбраны из расчета применения интег­ральных схем

ТТЛ (высокий уровень — не менее 2,4 В, низкий — не более 0,8 В). Нагрузкой

каждой сигнальной линии является внутреннее сопро­тивление каждого прибора не

более 3 кОм, подключенное к шине + 5 В, и резистор 6,2 кОм, подключенный к

шине "земля" схемы. Кодирование информации, как следует из конструкции

магистрали, ведется по байтам. Схемы интерфейса программно-управляемых

приборов выполняют­ся в двух вариантах:

в виде схем, реализованных и конструктивно оформленных внутри прибора как его

составная часть, с установкой стандартного разъема на задней панели прибора;

этот вариант применяется преимущественно в новых приборах, выпускаемых по

стандарту МЭК;

в виде отдельно выполненных интерфейсных модулей, подключаемых к серийно

выпускаемым или находящимся в обращении цифровым при­борам и устройствам; эти

модули по существу являются адаптерами, т. е. переходными устройствами между

выходом прибора и стандартным входом в магистраль приборного интерфейса.

Приборный интерфейс широко применяется как в отечественной

промышленности, так и зарубежными фирмами при построении ИИС для

автоматизации эксперимента. Из имеющихся непрограммируемых приборов, не

подготовленных для совместной работы, приборный интер­фейс позволяет

создавать ИС путем использования относительно неслож­ных устройств сопряжения

— интерфейсных плат и микроЭВМ в качестве контроллера системы.

Машинные интерфейсы

Машинные (или системные) интерфейсы предназначены для объеди­нения составных

блоков ЭВМ в единую систему. Тенденция развития машинных интерфейсов вызвана

необходимостью значительного увели­чения процента операций ввода-вывода,

номенклатуры и числа перифе­рийных устройств. В связи с этим существенно

возросли требова­ния к унификации и стандартизации интерфейсов.

Характерной особенностью машинных интерфейсов является необ­ходимость их

функционирования в нескольких режимах взаимодействия, влияющих на

функциональный состав систем шин. Основными режима­ми взаимодействия являются

ввод-вывод по программному каналу и по каналу прямого доступа в память.

Заключение

Повышение производительности труда человека – это заслуга механизации. Уже

долгое время она облегчает задачи человека, но не может полностью освободить

его от ручного труда или присутствия на рабочем месте. Такие вещи, как оценка

результатов контроля и решения вопроса о дальнейшей судьбе проверенной детали

- забраковать ее или отправить на доработку, были только в компетенции

человека, что требовало затрат умственного труда и относятся к сфере

управления производством. Очевидно, эти функции тоже можно упразднить,

заменив человека механизмами способными самостоятельно решать данные

проблемы. Переложение функций управления процессом с человека на

автоматические устройства стало началом нового времени – эры автоматизации.

Стремительное развитие электроники и вычислительной техники оказалось

предпосылкой для широкой автоматизации самых разнообразных процессов в

промышленности, в научных исследованиях, в быту. Вершиной автоматизации стало

появление автоматизированных измерительных и диагностических комплексов,

которые позволили полностью заменить человека, как важного элемента любого

производственного или научно-исследовательского процесса. Опираясь на

возможности таких систем и комплексов, человечество поднялось на еще одну

ступень в бесконечном стремлении взойти на вершину технического совершенства.

Список литературы.

1. Цапенко М. П. Измерительные информационные системы: Структуры и

алгоритмы, системотехническое проектирование. - М.: Энергоатомиздат, 1985

2. Кузьмичев Д. А., Радкевич И. А., Смирнов А. Д. Автоматизация

экспериментальных исследований. - М.: Наука, 1983.

3. Государственная система приборов и средств автоматизации / Под ред. Г.

И. Кавалерова. - М.: ЦНИИТЭИ приборостроения, средства автоматизации и

систем управления,1981.

4. Хазанов Б. И. Интерфейсы измерительных систем. - М.: Энергия, 1979.

5. Алиев Т. М., Тер-Хачатуров А.А. Измерительная техника: Учебное пособие

для техн. вузов. - М.: Высш. шк.,1991.