Лекция 3. Аппаратные средства АСУ МК и интерфейсы
Аппаратные средства АСУ МК условно можно разделить на две большие группы:
• средства микроконтроллерной техники (микроМК с ее стандартными устройствами и интерфейсами);
• специализированные устройства для связи с микроМК с объектом.
УСО (устройства связи с объектом) – это комплекс устройств, обеспечивающих взаимодействие объектов внешнего мира и ЭВМ. Рассмотрим примеры таких устройств.
1. Датчики (или первичные измерительные преобразователи) - это устройства, выполняющие преобразование значения физической величины (температуры, давления, перемещения и т.п.) в электрический сигнал. При этом информация может быть заключена в величине напряжения, тока или частоты изменения сигнала.
Пример: резистивный датчик температуры (синонимы: терморезистор, термометр сопротивления, резистивный преобразователь температуры). Принцип его действия основан на зависимости электрического сопротивления металлов (например, Cu - меди или Pt - платины) от температуры. Конструктивно датчик может выглядеть как металлическая проволока, намотанная на диэлектрический сердечник и помещенная в теплопроводящий корпус (см. рис. 3.1).
Рис 3. Устройство терморезистора и его функции преобразования
Важнейшей технической характеристикой любого аналогового датчика является зависимость величины выходного сигнала от значения физической величины на его входе – функция преобразования (синонимы: характеристика преобразования, или градуировочная характеристика, или просто градуировка). Для терморезисторов она нелинейна (см. рис. 2.2.), но на некоторых интервалах значений входной величины (например, для меди – на интервале 0..200°С) может быть приблизительно описана линейной функцией (например, функцией вида R = R0(1+αT), где α - термоэлектрический коэффициент меди, R0 – сопротивление при 0°С).
Кроме функции преобразования, основными характеристиками датчиков являются:
рабочий диапазон измеряемых значений;
предельная погрешность – характеристика, отражающая свойство датчика выполнять преобразование с определенной ошибкой, например, с величиной не более 0.1% от ширины диапазона входной величины.
(Примечание: обычно указывают характеристику основной погрешности – т.е. погрешности датчика в нормальных условиях работы и функцию дополнительной погрешности, возникающей при отклонении условий работы от нормальных).
Другими характеристиками датчиков, часто указываемыми в документации на устройство, являются чувствительность (первая производная от функции преобразования), постоянная времени (временной интервал, в течение которого завершаются переходные процессы в датчике), АЧХ – амплитудно-частотная характеристика (функция, характеризующая влияние частоты изменения физической величины на результат преобразования) и т.п.
Существуют также цифровые датчики, преобразующие некую характеристику состояния объекта (например, состояние клапана – «закрыт» или «открыт») в значения цифрового сигнала 0 («ложь») или 1(«истина»).
Используемый иногда термин «интеллектуальный датчик» соответствует компактному, но сложному устройству, содержащему кроме собственно датчика схемы преобразования сигнала, управляющий микроконтроллер и, возможно, цифровой интерфейс (см. ниже).
2. Промежуточные измерительные преобразователи – устройства, сохраняющие вид представления сигнала (например, напряжение остается напряжением) и его форму, но изменяющие его величину. Они необходимы в тех случаях, когда электрический сигнал, поступающий с датчика, слишком слаб по величине, либо слишком силен, либо засорен помехами и т.п. К устройствам этого типа относятся разнообразные усилители, нормализаторы, фильтры и пр. Нередко они конструктивно входят в состав датчика (например, мостовая схема подключения термосопротивлений). Как правило, промежуточные преобразователи тоже имеют функцию преобразования простого вида Y=A⋅X, которую можно описать единственным числом - коэффициентом усиления A.
Рис 4. Простейшие схемы для изменения уровня напряжения
Существуют как простые усилители, представляющие собой электронные схемы на основе резисторов и операционных усилителей (см. рис. 2.3), так и сложные многофункциональные устройства с программируемым извне или автоматически настраиваемым коэффициентом усиления.
3. Аналогово-цифровые преобразователи (АЦП) – устройства, предназначенные для преобразования значения электрического сигнала в число.
| Рис. 5. Квантование сигнала по уровню и дискретизация по времени | Рис. 6. Функция преобразования АЦП |
Такое преобразование происходит не мгновенно (этот временной интервал называется временем преобразования АЦП), поэтому динамически изменяющийся непрерывный электрический сигнал, поступающий на вход АЦП, на выходе преобразуется в дискретную последовательность чисел. Типичное время преобразования современных АЦП: от 10-7 до 10-3 с.
Каждое число на выходе у АЦП представляется конечным количеством двоичных разрядов (эта характеристика называется разрядностью АЦП), следовательно, множество всевозможных числовых значений на выходе у АЦП ограничено: например, если разрядность АЦП N=2, то всего возможно 4 различных результата преобразования: 002=010, 012=110, 102=210 и 112=310. Типичные значения разрядности современных АЦП: от 8 до 24.
Таким образом, работа АЦП заключается в выполнении двух операций (см. рис. 2.4):
• квантование сигнала по уровню;
• дискретизация сигнала по времени.
Функция преобразования АЦП имеет вид «ступенчатой кривой» (см. рис. 2.5) и может быть описана формулой
(2.1)
где Y – преобразуемый электрический сигнал; Z – числовой результат преобразования; h – величина входного сигнала, соответствующая одному биту (разряду) выходного числа; [.] – округление числа до целого значения. Таким образом, в любом АЦП происходит преобразование близких значений электрического сигнала в одно общее числовоеначение, что приводит к погрешности квантования, не превышающей по величине h/2 (см. рис. 2.5). Итак, наиболее важные технические характеристики АЦП:
• входной диапазон (диапазон измеряемых значений тока или напряжения, например ±5В);
• разрядность (количество двоичных разрядов, которыми представляется выходное значение, например 16);
• время преобразования (например, 0.00001 сек).
4. Цифро-аналоговые преобразователи (ЦАП) – устройства, предназначенные для преобразования числовой величины в электрический сигнал (напряжение или ток). Свойства и технические характеристики ЦАП аналогичны АЦП.
5. Коммутаторы аналоговых сигналов – устройства, осуществляющие физическое переключение (коммутацию) связей между различными устройствами. Различают мультиплексоры (устройства, способные подключать несколько входов на один выход), демультиплексоры (устройства, способные подключать один вход к нескольким выходам) и комбинированные коммутаторы. Существуют также коммутаторы цифровых сигналов – «свитчи».
6. Исполнительные устройства – устройства, предназначенные для организации непосредственного воздействия на объект. Примером ИУ могут служить шаговый двигатель, электрический нагреватель и т.п.
Лекция 4. Интерфейсы
Для передачи электрических сигналов между различными устройствами (например, между датчиком и усилителем или между усилителем и АЦП) используются аналоговые линии связи, т.е. обычные электрические провода и кабели. В случае же, когда необходимо передавать цифровую информацию, используются специальные интерфейсы – комплексы программных и аппаратных средств и протоколов (алгоритмов взаимодействия), предназначенных для обеспечения конструктивной, электрической и логической совместимости различных устройств и их компонентов.
Обычно интерфейс (см. рис. 4.1) состоит из:
• шины (или магистрали) – набора электрических линий (проводов), по которым передаются информационные и служебные сигналы;
• адаптеров приемника и передатчика – специальных устройств, которые реализуют протоколы обмена информационными и служебными сигналами. 
Рис. 7. Интерфейс
По способу передачи данных по шине интерфейсы можно разделить на параллельные и последовательные (см. рис. 4.2). Параллельные интерфейсы позволяют передавать элементы информации (например, отдельные биты) независимо друг от друга по разным линиям шины; теоретически, они обеспечивают высокую скорость передачи данных, но сложней в реализации и использовании. Последовательные интерфейсы передают элементы информации один за другим по небольшому числу линий (например, всего по одной линии), – этот вид передачи данных прост и экономичен, но медленен.
Однако, практической реализации быстрых параллельных интерфейсов мешает эффект взаимного электрического влияния сигналов, распространяющихся по соседним линиям шины.
. 
Рис. 8. Параллельная и последовательная передача данных
По назначению интерфейсы можно разделить на внутренние (или системные) - предназначенные для объединения составных частей одного устройства, и внешние – предназначенные для организации информационного обмена между независимыми устройствами.
Примеры интерфейсов.
1. Последовательный интерфейс RS-232 можно отнести к классу внешних интерфейсов. Он позволяет передавать данные между двумя устройствами со скоростями до 115 килобит/с на расстояние до 15 метров (при уменьшении скорости возможно увеличение дальности передачи до 1 км). Международный стандарт на этот интерфейс описывает передачу данных по 25 линиям, но в простейшем случае достаточно кабеля с двумя линиями: одна используется для передачи данных, другая - как общая «земля».
Также стандарт описывает протокол передачи, предусматривающий организацию данных в виде набора битов, который включает начальный («стартовый») бит, конечный («стоповый») бит, бит контроля целостности посылки, блок информационных битов и т.п. мбит/c на 10 м). Но международные стандарты на эти интерфейсы не описывают никаких протоколов передачи данных, поэтому RS-422 и RS-485 служат как физическая база для организации других интерфейсов (например, класса «полевая шина» - ModBus, ProfiBus и т.п.).
3. Параллельный интерфейс КАМАК относится к классу системных интерфейсов (см. рис. 2.9). Он является исторически первым и наиболее типичным представителем семейства интерфейсов, служащих базисом для построения магистрально-модульных систем (ММС). В основе таких систем лежит магистраль, заключенная в открытый с одной стороны металлический корпус – крейт. Различные функциональные компоненты системы (так называемые функциональные модули), вставляемые в разъемы магистрали, располагаются внутри крейта, словно книги в полке книжного шкафа – этим обеспечивается высокая надежность системы и устойчивость ко внешним воздействиям. В КАМАК предусмотрено всего 25 разъемов, они называются «станциями». Номенклатура модулей огромна: существуют модули усилителей и нормализаторов, модули АЦП, модули ЦАП, модули мультиплексоров и демультиплексоров, модули внешних запоминающих устройств (винчестеров, дисководов, флэш-накопителей и пр.), модули таймеров и счетчиков, модули управления роботами, модули декодирования сигналов с видеокамер и т.п. В крейте КАМАК обязательно должен присутствовать один «главный» модуль (так называемый «крейт-контроллер»), который управляет передачей данных по шине между отдельными модулями. Он может быть оформлен как интерфейс к внешней ПЭВМ, либо содержать внутри себя микроЭВМ.
Рис.9. Крейт и модули в стандарте КАМАК
Стандарт КАМАК был разработан в конце 1960-х годов, к середине 1980-х годов он морально устарел и был вытеснен более современными интерфейсами. Однако, простота и высокая надежность архитектуры КАМАК позволяют эксплуатировать системы на ее основе до сих пор (прежде всего, в институтах ядерных исследований и на атомных электростанциях).
4. Параллельные интерфейсы VME/VXI, CompactPCI, PXI и пр. относятся к классу системных интерфейсов и так же предназначены для построения ММС. Они являются развитием архитектурной идеологии, использовавшейся ранее в интерфейсе КАМАК: предусматривают наличие крейта и функциональных модулей. (Примечание: в дешевых магистрально-модульных системах, например, в NI FieldPoint, крейт может отсутствовать). VME/VXI и CompactPCI могут использоваться в качестве «полноценного» системного интерфейса, позволяющего на основе общей шины объединять процессорный модуль, модуль оперативной памяти, модули внешних устройств и прочие компоненты ЭВМ. В системах, основанных на этих интерфейсах, получили распространение мезонинные технологии, предусматривающие организацию функциональных модулей также на базе некоторых (более простых и миниатюрных) магистрально-модульных архитектур.
5. Прочие интерфейсы. Среди прочих интерфейсов, используемых в АСУ и АСУ МК, можно отметить:
• последовательный внешний интерфейс CANbus, часто используемый для организации распределенных бортовых (автомобильных и авиационных) систем управления;
• последовательный внешний интерфейс Industrial Ethernet, являющийся оптимизированной под задачи реального времени модификацией сетевого интерфейса Ethernet;
• комбинированный интерфейс HART, позволяющий одновременно передавать цифровые данные и аналоговые сигналы.
Последовательный внешний интерфейс USB, параллельные системные интерфейсы PCI, ISA, AGP, параллельный сетевой интерфейс Ethernet редко используются в системах реального времени.
В зависимости от используемых интерфейсов возможны различные варианты объединения компонентов УСО и подключения к ЭВМ.
1. Автономное исполнение. Компоненты УСО представляют собой комбинированное измерительные и управляющие устройства, сочетающее в себе усилители, АЦП, коммутаторы, микроконтроллеры и пр. Информационная связь с ЭВМ осуществляется посредством одного из стандартных интерфейсов связи (RS-232, RS-485, USB, приборного интерфейса GPIB и т.п.). Также возможно использование этих интерфейсов для сетевого объединения автономных компонентов друг с другом.
| а) Функциональная схема | б) NI-6008 с интерфейсом USB |
Рис. 10. УСО в виде автономного устройства
В составе магистрально-модульных систем. Компоненты УСО, ЭВМ и ее внешние устройства представляют собой функциональные модули («кубики») магистрально-модульных систем на базе КАМАК, VME/VXI, PXI, CompactPCI и пр. Обмен данными производится по системной шине магистрально-модульной системы.
| а) функциональная схема | б) Система на базе NI FieldPoint |
Рис. 11. УСО на базе магистрально-модульных интерфейсов
3. Подключение к внутренним интерфейсам универсальных ЭВМ. Компоненты УСО изготавливаются в виде плат расширения универсальных ЭВМ и подключаются к их внутренним системным интерфейсам (ISA, PCI и пр.).
| а) функциональная схема | б) Плата L-Card Д-780 |
Рис. 12. УСО в виде компонентов микроЭВМ