9. Моргул А.Н. Справочник Turbo-Pascal для студентов – М., 2006 г.
10. Зеленяк Д.П. Практикум на Turbo-Pascal – М,Санкт-Петербург, 2007 г.
11. Аляев Ю.А., В.П. Гладков, Козлов О.А. Практикум по алгоритмизации и программированию на языке Паскаль – М.«Финансы и статистика» 2004 г.
12. Аляев Ю.А., Козлов О.А. Алгоритмизация и языки программирования– М. «Финансы и статистика» 2007 г.
Обобщённая структурная схема ИИС
Устройство управления может формировать командную информацию{Фо*},принимать информацию {I*} от функциональных блоков и подавать команды на исполнительные устройства9 для формирования воздействия на объект исследования. Воздействия могут быть, например, в виде электрических U, механических Р, тепловых Т°, оптических О, гидравлических G и акустических А величин. Воздействия могут организовываться, во-первых, в целях создания соответствующих условий для проведения эксперимента и, во-вторых, для уравновешивания величин, действующих на входы датчиков. В последнем случае система называется замкнутой с компенсационной обратной связью, а формируемые воздействия — компенсирующими величинами.
Множество аналоговых преобразователей 2 содержит преобразователи 2.1 и нормирующие преобразователи 2.2 аналоговых сигналов (например, масштабные преобразователи, преобразователи вида модуляции), коммутаторы аналоговых сигналов 2.3, аналоговые вычислительные устройства (с обозначением F) 2.4, аналоговые устройства памяти 2.5, устройства сравнения аналоговых сигналов 2.6, аналоговые каналы связи (с обозначением КС) 2.7, аналоговые показывающие и регистрирующие измерительные приборы 2.8.
Интерфейсные устройстваИФУ аналоговых блоков главным образом служат для приема командных сигналов и передачи информации о состоянии блоков (см. гл. 5). Например, через ИФУ могут передаваться команды на изменение режима работы, на подключение заданной цепи с помощью коммутатора. Между аналоговыми и цифровыми устройствами включено множество аналого-цифровых преобразователей 3.1 и аналоговых устройств допускового контроля 3.2.
К цифровым устройствам14 относятся формирователи импульсов 4.1, преобразователи кодов 4.2, коммутаторы 4.3, специализированные цифровые вычислительные устройства 4.4 (с обозначением CPU), устройства памяти 4.5, устройства сравнения кодов 4.6, каналы цифровой связи 4.7 (с обозначением КС), универсальные программируемые вычислительные устройства – микропроцессоры, микро-ЭВМ и т. п. – 4.8.
Группа цифровых устройств вывода, отображения и регистрации 5 содержит формирователи кодоимпульсных сигналов 5.1, печатающие устройства 5.2, устройства записи на перфоленту 5.3 (ПЛ) и считывания с перфоленты 5.4 (также с обозначением ЯЛ), накопители информации на магнитной ленте 5,5 (МЛ) и магнитных дисках 5.6 (МД), дисплеи 5.7 (Д), сигнализаторы 5.8, цифровые индикаторы 5.9.
В структурных схемах далее используются также обозначения элементов цифровой вычислительной техники, установленные ГОСТ 2.743-82. В частности, применяются следующие обозначения: регистр – RG, счетчик – СТ, устройства задержки во времени – DL, генератор – G (серии импульсов – Gn, непрерывной последовательности импульсов – GN, линейно изменяющегося сигнала – GI, синусоидального сигнала – GSIN, одиночного импульса – G1), дешифратор – DС, триггер – Т, память – М( ОЗУ – RAM, SRAM, ПЗУ – ROM, ППЗУ – PROM), мультиплексор (цифровой коммутатор) – MUX, демультиплексор – DMX и др.
Кроме указанных на рис. 1.1 условных графических обозначений в структурных схемах используются обозначения, приведенные в приложении 1.
Уместно отметить, что ЭВМ 4.8 могут взять на себя ряд преобразований, выполняемых, например, в блоках 2.4, 2.5, 2.6, 4.2, 4.4, 4.6, 5.1, а также функции управления (блок 8). Эти преобразования, естественно, будут выполняться программным путем.
Конечно, не во всякой ИИС требуется присутствие всех приведенных на рис. 1.1 блоков. Для каждой конкретной системы количество блоков, состав функций и связи между блоками должны устанавливаться особо.
Нужно отметить, что в технической литературе можно встретить название компонентов ИИС, являющихся объединением нескольких функциональных блоков. Так, например, объединение коммутаторов аналоговых сигналов и аналого-цифровых преобразователей иногда называют многоканальными АЦП.
Структурные схемы содержат важную информацию о системе, но эта информация не позволяет судить о последовательности, режимах, об алгоритмах работы данной системы. Это особенно относится к системам, основанным на использовании вычислительных комплексов, цифровых интерфейсов, содержащих микропроцессоры, ЭВМ и другие многофункциональные устройства.
Ниже предлагаются и рассматриваются содержательные логические схемы алгоритмов (СЛСА), предназначенные для формального описания работы ИИС, в том числе включающих малые ЭВМ. В СЛСА развиваются и конкретизируются идеи ЛСА применительно к специфике таких систем.
При разработке СЛСА предполагалось, что они должны: описывать функционирование как аппаратной, так и программно-управляемой частей ИИС;
Обозначения информационных преобразований в СЛСА в основном выполняются буквами латинского алфавита, а служебной информации – греческого. Аналоговая величина в общем виде обозначается буквой x, множество таких величин – X, цифровая – z, а множество цифровых величин — Z. Цифровое выражение конкретной аналоговой величины представляется в виде Dx.
Функциональные операторы получения, преобразования, передачи, выдачи измерительной информации обозначаются І(I*). В скобках дается конкретное содержание таких операторов. Наиболее распространенное содержание операторов связано с оперативным хранением информации S(storage), выдачей, чтением информации R (read), записью, регистрацией информации W (write), обработкой информации F (function) и СР (compute), операциями сравнения CR (comparison) и контроля СН (checking).
Обозначения операторов с перечисленными преобразованиями над Xи Z имеют вид: I(S : X), I(S:Z); I(R:X), I(R:Z); І(W:X), I(W:Z); І(F:X), I(CP:Z); І(CR:xi,xj), I(CR:zi,Zj); I(CH:x), I(CH:z).
Преобразование сигналов записывается с указанием входных и выходных величин, разделенных наклонной прямой, причем указывается вид преобразования информации. Передача аналоговых и цифровых величин обозначается как I(x), I(X), I(z), I(Z).
Структурная схема ИИС на примере контроллера SSJKS4
3. РАЗНОВИДНОСТИ ВХОДНЫХ ВЕЛИЧИН в ИИС, [Л.1, глава 2, с.25]
На входы ИИС может поступать большое количество однородных или разнородных по физической природе величин (механических, электрических, тепловых и др.) и сопутствующих им влияющих величин (помех). Естественно, учет физических свойств входных величин и их количественных характеристик имеет большое значение при создании и использовании ИИС. Однако в общей классификации ИИС, как уже говорилось, целесообразно сосредоточить внимание на особенностях исследуемых величин, определяющих принцип действия ИИС с точки зрения системотехники.
Классификация входных величин по таким признакам приведена в табл. 2.1. Входные величины характеризуют исходный «материал», поступающий в ИИС, и, следовательно, в определенной мере позволяют определить, какие оценки могут быть получены при наличии этого «материала».
Необходимо дать некоторые пояснения к классификационным признакам входных величин.
Количество величин i определяется суммой всех (в том числе однородных) величин. При i>2 входные величины могут быть как независимыми, так и взаимосвязанными. Заметим, что взаимная связь между исследуемыми величинами может быть весьма разнообразной.
Входные величины могут изменяться во времени и быть распределенными в пространстве. В этих случаях следует говорить об исследуемых процессах, временных или пространственных функциях.
Под активными подразумеваются величины, способные оказывать энергетические воздействия на входные устройства системы. К ним, например, относятся электрический ток и напряжение, ионизирующие, световые, тепловые излучения, механические силы, давления и т.д.
Пассивны такие величины, как сопротивления электрических цепей, механические сопротивления, твердость, жесткость и т. п.
В табл. 2.1 речь идет о внешних по отношению к ИИС помехах. Часто они неотделимы от входных величин, так как физически вызываются теми же явлениями. Разграничение их с изучаемыми величинами во многих случаях связано со значительными трудностями. Помехи могут характеризоваться теми же признаками, что и измеряемые величины; здесь же они лишь разделяются на независимые от входных величин и с ними связанные.
4. КЛАССИФИКАЦИЯ ИИС ПО ПРИНЦИПАМ ПОСТРОЕНИЯ. РОЛЬ ЭВМ [Л.1, глава 2, с. 29]
В обобщенной структурно-функциональной схеме ИИС (см. рис. 1.1) показаны основные блоки ИИС и их взаимосвязь. Далеко не всегда необходимо использовать весь приведенный на рис. 1.1 состав блоков в конкретных системах. Нужно также иметь в виду, что для выполнения одних и тех же функций могут быть созданы системы, существенно различающиеся по структуре и алгоритму работы.
Число возможных структурных вариантов систем при указанном на рис. 1.1 количестве функциональных устройств будет очень большим. Классифицировать это многообразие возможных структур для ИИС в целом весьма затруднительно. Видимо, рационально рассмотреть структуры измерительных, контрольных и других систем отдельно, в соответствующих частях книги, выделив основные функциональные элементы этих систем. В общей же классификации ИИС целесообразно остановиться на наиболее общих принципах их построения (табл. 2.3).
Сделаем краткие пояснения к классификационным признакам этой таблицы.
Наличие специального канала связи, обеспечивающего передачу качественной информации от объекта, находящегося на большом расстоянии, приводит к необходимости решения ряда специфических вопросов. В соответствии с этим нужно выделить специальный класс телеинформационно-измерительных систем (ТИИС) – ИИС дальнего действия.
Выполнение последовательно или параллельно операций получения информации во многом определяет количество элементов системы, быстродействие, надежность и т. п. Измерительная информационная система может состоять из частей, в которых последовательность операций получения или преобразования информации может быть различной. Естественно, в системе для перехода от параллельного к последовательному выполнению преобразований информации и наоборот должны использоваться соответствующие согласующие устройства.
Использование пригодных для совместной работы функциональных блоков агрегатных комплексов ГСП и стандартных цифровых интерфейсов существенно определяет многие характеристики ИИС. Более подробно это рассматривается в гл. 3 и 5.
Наличие в составе программно-управляемых цифровых вычислительных средств (микропроцессоров, малых ЭВМ и т. п.) является очень важным классификационным признаком. Система, содержащая такие средства, обладает определенной универсальностью, так как при соответствующем программном обеспечении может (при ограниченном быстродействии) выполнять функции систем различного назначения. Измерительные информационные системы, содержащие такие вычислительные средства, называют измерительно-вычислительными системами (ИВС), а ИВС, создаваемые потребителями из стандартных устройств для решения локальных экспериментальных задач — локальными; ИВС (ЛИВС).
В ИВС можно выделить универсальное ядро, в которое входят часть аналоговых преобразователей (например, коммутаторы), аналого-цифровые преобразователи, часть цифровых преобразователей (цифровые коммутаторы и устройства памяти), ЭВМ, набор устройств отображения и регистрации информации, средства интерфейса и устройства, формирующие воздействия на исследуемый объект. Это ядро цифровых ИИС получило название измерительно-вычислительных комплексов (ИВК). Измерительно-вычислительные системы при известных условиях могут создаваться на базе управляющих вычислительных машин (УВМ) и комплексов (УВК), имеющих в своем составе ЭВМ.
В некоторых частных случаях (например, при измерении электрических величин) технические средства ИВС и ИВК могут совпадать, а отличие между ними будет заключаться лишь в программном обеспечении.
Наличие контура обратной информационной связи позволяет организовать компенсационные методы измерения, позволяющие получить более высокие точностные характеристики.
Изменение скоростей получения и выдачи информации в ИИС возможно главным образом при использовании запоминающих устройств (ЗУ). Оно может быть, например, применено для быстрого запоминания значений исследуемых величин и медленной выдачи информации и наоборот.
Введение адаптации ИИС к исследуемым величинам, структурной и информационной избыточности в целях повышения надежности, помехоустойчивости, точности, гибкости работы и т. п. типично для системотехники. Можно предполагать, что дальнейшее развитие ИИС во многом будет зависеть от решения этих вопросов.
5. ЭЛЕКТРОИЗМЕРИТЕЛЬНЫЕ ЦЕПИ ИИС.
5.1 Виды модуляции сигналов в ИИС, [Л.8, с.213-216].
5.2 Многоканальные системы, мультиплексирование,[Л.2, с.217-220].
Существуют два основных подхода к обработке более чем одного аналогового сигнала. Долгое время наиболее популярным был способ аналогового мультиплексирования всех входных каналов с использованием одного АЦП для выполнения преобразований. Одной из причин популярности этого способа являлась высокая стоимость АЦП. В альтернативном подходе используются отдельные АЦП для каждого канала. Этот способ имеет некоторые преимущества, и он становится все более привлекательным для практической реализации в связи с уменьшением стоимости АЦП.
Аналоговое мультиплексирование. На рис. 5.13 показана наиболее часто используемая конфигурация системы сбора данных с аналоговым мультиплексированием каналов. По команде мультиплексор соединяет выбранный канал с УВХ, которое делает выборку и затем хранит ее для преобразования в АЦП. Заметим, что УВХ позволяет мультиплексору при необходимости переключиться на другой канал, в то время как АЦП еще выполняет преобразование. Это означает, что время переключения мультиплексора и его время установления не влияют на производительность системы. Другой модификацией является система одновременной выборки. УВХ устанавливаются на входах мультиплексора и запускаются по одной и той же команде SAMPLE. Это позволяет получить отсчеты значений двух или большего числа сигналов точно в один и тот же момент времени, что иногда требуется для некоторых систем управления и обработки сигналов.
В аналоговых мультиплексорах чаще всего используются полупроводниковые ключи (на полевых транзисторах с управляемым p-n-переходом и КМОП-транзисторах). Матрица управляемых ключей изготавливается в виде монолитной ИС, которая, как правило, содержит и дешифратор, позволяющий использовать лишь несколько управляющих линий для выбора любого сигнального канала. Широкое распространение получили мультиплексоры на 4, 8 и 16 каналов, допускающие работу с заземленными или дифференциальными входными сигналами. Мультиплексор должен сначала отключать текущий коммутируемый вход и только затем подключать следующий, чтобы гарантировать отсутствие короткого замыкания двух входных линий. Другими важными рабочими характеристиками аналогового мультиплексора являются сопротивление его ключей в открытом состоянии, токи утечки ключей в закрытом состоянии, точность коэффициента передачи, перекрестные помехи и время установления. На сопротивлении открытого ключа входной сигнал создает некоторое падение напряжения, приводящее к погрешности коэффициента передачи. Эту погрешность можно минимизировать, нагружая мультиплексор схемой с большим входным сопротивлением. В частности, уменьшению погрешности коэффициента передачи способствует высокое входное сопротивление подключаемого к выходу мультиплексора УВХ. Точность коэффициента передачи — это выраженная в процентах погрешность передачи входного сигнала на выход мультиплексора. Перекрестные помехи возникают в результате паразитной связи между выходом мультиплексора и входом закрытого ключа. Время установления — это время, необходимое для того, чтобы значение выходного сигнала мультиплексора оказалось и в дальнейшем оставалось внутри некоторого установленного диапазона значений вблизи уровня подключаемого входного сигнала. Разработчик должен знать величину этого параметра, чтобы запускать УВХ только после указанной стабилизации уровня выходного сигнала мультиплексора.
Параллельное преобразование. При параллельном способе сбора данных для каждого канала используется отдельный АЦП (рис. 5.14). Преимущества такого подхода проявляются в промышленных системах сбора данных, когда измерительные преобразователи распределены по большой площади и, как правило, работают в условиях сильных внешних помех. Установка АЦП вблизи измерительных преобразователей и передача преобразованных данных в цифровой форме предотвращают прохождение аналоговых сигналов через области действия помех. При таком подходе обеспечивается также гальваническая развязка и исключается появление земляных контуров (принципы реализации интерфейса для таких систем обсуждались в разд. 5.3).
Рисунок5.14. Многоканальная система сбора данных с использованием отдельных АЦП для каждого канала и цифрового мультиплексора
Наличие отдельного АЦП для каждого канала позволяет реализовать намного большую частоту дискретизации в расчете на канал. И, наоборот – для реализации заданной производительности можно использовать менее быстродействующие АЦП.
(Дополнительный материал: ЛР №5 ”ИИС на примере контроллера SSJKS4. Исследование работы аналогового мультиплексора”.)
5.3 АНАЛОГО-ЦИФРОВОЕ ПРЕОБРАЗОВАНИЕ.[Л.2, глава 5, с.189]
Преимущества обработки информации и осуществления функций управления с использованием цифровых методов становятся все более очевидными. Однако данные, которые мы получаем из реального мира, обычно представлены в аналоговой форме. Необходимый аналого-цифровой интерфейс обеспечивает система сбора данных. Она преобразует исходные данные от одного или нескольких измерительных преобразователей в выходной сигнал, пригодный для цифровой обработки; преобразование осуществляется с помощью таких компонентов, как усилители, фильтры, схемы выборки – хранения, мультиплексоры и аналого-цифровые преобразователи (АЦП).
В этой главе в фокусе нашего обсуждения будет аналого-цифровой преобразователь – наиболее важная часть любой системы сбора данных. Сначала подробно обсуждаются принципы аналого-цифрового преобразования, конкретные функциональные схемы преобразователей, а также принципы выбора АЦП и их сопряжения с другими устройствами. Затем описываются системы сбора данных и их компоненты. В конце главы рассматривается конструкция 16-канальной недорогой системы сбора данных для IВМ РС.
