Интеллектуальные измерительные системы. Интерфейсы измерительных информационных систем. Метрологический анализ.
Интеллектуальные измерительные системы способны выполнять все функции измерения и контроля в реальном масштабе времени.
Контроллерные функции. Их можно подразделить на ряд подфункций:
• управление измерительной цепью, т.е. переключение каналов и диапазонов подключение образцовых мер;
• управление измерительными усилителями;
• управление аналого-цифровым преобразованием;
• управление средствами общения с оператором. Сюда входят управление клавиатурой, индикаторами, звуковой сигнализацией и дисплеем;
• управление регистраторами;
• управление внешней памятью.
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.
Сервисные функции. Они расширяют возможности измерительных приборов и систем с 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.
Распределенная обработка данных. Она позволяет распределять вычислительные функции между программируемыми контроллерами. Возможность распределения обработки данных обеспечивает высокую надежность управления измерительной информационной системой.
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, а именно:
· универсальность – стандартные интерфейсы обеспечивают простое подключение к любым системам и оборудованию;
· высокую надежность на каждом системном уровне;
· высокое быстродействие контуров управления процессами измерения и контроля любого производства, а также высокая скорость сбора данных;
· взаимозаменяемость – 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..
Интерфейсы измерительных информационных систем.
Интерфейс – это совокупность цепей, объединяющих различные устройства, и алгоритмы, определяющая порядок передачи информации между этими устройствами.
Цепи интерфейса подразделяют на три группы: информационные, адресные и управляющие.
Различают программные и физические интерфейсы. Основной характеристикой интерфейса является скорость передач информации, которая зависит от алгоритма передачи и технических характеристик цепей связи.
В целях модульного принципа построения систем разработаны стандартные интерфейсы, обеспечивающие информационную, электрическую и конструктивную совместимость различных устройств.
В настоящее время используются следующие структуры интерфейсов: одноступенчатые, двухступенчатые и трехступенчатые с возможными вариантами исполнения: цепочечная, 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: КОП, КАМАК, PDP-11, (общая шина), RS-232C, RS-422, RS-423, а также системные интерфейсы 8, 16, 32-разрядных микроЭВМ.
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 IEЕЕ-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 10 интерфейсных функций. Каждая функция позволяет прибору выполнять прием, передачу и определенную обработку сообщений. Функции могут быть реализованы как аппаратно, так и программно. Приборный интерфейс представлен на рисунке 25.2.
Рисунок 25.2 – Приборный интерфейс: К – коммутатор; АЦП – аналого-цифровой преобразователь; ЦПУ – цифропечатающее устройство; ИКАР – интерфейсные карты
Интерфейс КАМАК. Он применяется для разветвленных систем сбора информации с большим числом первичных преобразователей и предоставляет возможность построения ИИС с двумя уровнями централизации.
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 сложных ИИС.
Последовательные интерфейсы периферийных устройств.
Ими могут служить интерфейсы RS-232C, RS-423, RS-422. Основные параметры этих интерфейсов представлены в таблице 25.1.
Таблица 25.1
| Технические характеристики | Интерфейс | ||
| RS-232 | RS-423 | RS-422 | |
| Линия | Однопроводная, несогласованная | Однопроводная, несогласованная | Дифференциальная, согласованная |
| Максимальная длина линии, м | |||
| Максимальная скорость передачи информации, бод | 100 (при 12 м) | 104 (при 12 м) | |
| Выходное напряжение передатчика при работе на нагрузку, В | От±5до±15 при RH =37 кОм | ±3,6 | 2,0 |
| Скорость нарастания сигнала на выходе передатчика, В/мкс | Менее 30 | Зависит от длины кабеля и частоты переключения | Неограничена |
| Входное сопротивление приемника, кОм | Не более 4 | Не более 4 | |
| Максимальное значение порогового напряжения приемника, В | +3 | +0,2 | ±0,2 |
| Скорость передачи информации, Бод | 104 | ||
| Длина магистрали, м | |||
| Число линий интерфейса | |||
| Способ обмена информацией | Последовательный | Последовательный | Последовательный |
| Режим обмена | Симплексный | Симплексный | Полудуплексный, симплексный |
В основе интерфейсов RS-232C, RS-422 лежит однопроводная несогласованная линия (рисунок 25.3).
Рисунок 25.3 – Схемы однопроводной несогласованной (а) и симметричных дифференциальных последовательных линий связи с симплексным (б) и полудуплексным(в) режимами передачи информации
В однопроводной линии для передачи сигнала используется один провод, напряжение на котором сравнивается в приемнике с напряжением линии «Общая земля», общей для всех прочих сигнальных проводников. Этот способ построения линии наиболее прост, но имеет существенный недостаток: на информационный сигнал накладываются помехи в линии. Так как помехи в линии пропорциональны длине линии связи и ширине полосы рабочих частот, то в интерфейсах RS-232C и RS-423 наложены ограничения на оба параметра (см. таблицу 25.1). Например, в интерфейсе RS-423 при скорости передачи информации 3 Кбод длина линии может достигать 1200 м, а при скорости 300 Кбод – всего лишь 12 м. Кроме того, для уменьшения взаимных помех скорость нарастания фронтов передаваемых сигналов ограничивается до 30 В/мкс.
Интерфейс RS-422 распространяется на симметричные дифференциальные линии (витая пара, радиочастотный кабель), обладающие более высокими характеристиками, чем однопроводные линии. В частности, по линии интерфейса RS-422 возможна передача информации со скоростью до 100 Кбод на расстояние до 1200 м и со скоростью 10 Мбод на расстояние до 12 м. Дифференциальный режим (рисунок 25.3 б) достигается применением дифференциального передатчика, согласованной линии связи (в виде витой пары или радиочастотного кабеля) и дифференциального приемника. Сигнал передатчика появляется на входе приемника в виде разностного напряжения, тогда как помехи в линии остаются синфазными. Благодаря этому дифференциальный приемник с достаточным диапазоном подавления синфазной составляющей может отличать сигнал от помехи. К тому же интерфейс RS-422 позволяет наряду с симплексным режимом передачи организовать полудуплексный режим передачи и мультиплексный режим последовательной передачи информации. В последнем случае, применяемом для связи между периферийными устройствами микропроцессорных систем, для передачи информации в одном направлении используются две дифференциальные симметричные линии связи, например витые пары. В исходящем направлении включены один передатчик и 
приемников. Такой режим позволяет обслуживать до 12 абонентов. Основные трудности заключаются в обеспечении хорошего заземления системы.
Интерфейс «Общая шина». Он разработан для связи центрального процессора семейства IBM, где используется магистральная система шин с раздельными объединенными шинами для адресных сигналов и данных, а также с отдельной шиной для сигналов управления (рисунок 25.4).
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 его в измерительных информационных систем, автоматизированный системах управления технологическими процессами и строить на ее базе измерительно-вычислительные комплексы.
Обмен информацией между функциональными блоками происходит асинхронно по каналу, который представляет собой магистраль, состоящую из 38 линий.
Рисунок 25.4 – Структурная схема интерфейса «Общая шина»
Метрологический анализ.
В зависимости от состава метрологического обеспечения ИИС подразделяются на группы: общего применения, впускаемые серийно и предназначенные для эксплуатации на предприятиях различных министерств и ведомств; нестандартизованные единичного производства; нестандартизованные, комплектуемые на объектах эксплуатации из серийных устройств.
Головная организация по метрологическому обеспечению ИИС – Российский научно-исследовательский институт метрологии измерительных и управляющих систем (РНИИМУИС) научно-производственного объединения «Система».
Метрологическую экспертизу проектов технических заданий на разработку ИИС общего применения должны проводить РНИИМУИС или головные (базовые) организации по метрологии министерств (ведомств).
Контрольные вопросы
1 Перечислите известные вам интерфейсы, используемые в ИИС.
2 Расскажите о назначении, характеристиках и структурах интерфейсов в ИИС.
3 В чем разница в синхронном и асинхронном обменах информацией?
4 Каковы особенности приборного интерфейса?
5Расскажите об интерфейсах периферийной части ЭВМ.
6 Каковы функции, выполняемые ЭВМ в ИИС?
Лекция 26