Автоматизированные измерительные и диагностические комплексы, системы

СОДЕ РЖАНИЕ 1. Введение в измерительную технику · Роль и значение измерительной техники. История развития · Основные понятия и определения 2. Измерительные информационные системы. · Общая классификация измерительных информационных систем · Классификация ИИС по функционально му назначению · Обобщенная структура ИИС 3. Интерфейсы измерительных информационных систем. · Общие понятия и определения · Интерфейсные функции · Приборные интерфейсы · Машинные интерфейсы 4. Заключение. 5. Список литературы. ВВЕДЕНИЕ В ИЗМЕРИТЕЛЬНУЮ ТЕХНИКУ Роль и значение измерительной техники. История развития Измерительная техника - один из важнейших факторов уско рения научно-технического прогресса практически во всех отраслях наро дного хозяйства. При описании явлений и процессов, а также свойств матер иальных тел используются различные физические величины, число которых дости гает нескольких тысяч: электрические, магнитные, пространственны е и временные; механические, акустические, оптические, химические, био ло гические и др. При этом указанные величины отличаются не только ка честв енно, но и количественно и оцениваются различными числовыми значениями. Установление числового значения физической величины осуществля ется путем измерения. Результатом измерения является колич ественная характеристика в виде именованного числа с одновременной оц енкой степени приближения полученного значения измеряемой величины к ис тинному значению физической величины. Укажем, что нахождение чис лов ого значения измеряемой величины возможно лишь опытным путем, т. е. в проц ессе физического эксперимента. При реализации любого процесса измерения необходимы т ехничес кие средства, осуществляющие восприятие, преобразование и пред став ление числового значения физических величин. На практике при измерении физических величин применяю тся элект рические методы и неэлектрические (например, пневматические, меха нические, химические и др.). Электрические методы измерений получили наиболее шир окое рас пространение, так как с их помощью достаточно просто осуществл ять пре образование, передачу, обработку, хранение, представление и ввод измери тельной информации в ЭВМ. Технические средства и различные методы измерений сос тавляют основу измерительной техники. Любой производственный процесс харак теризуется большим числом параметров, изменяющихся в широких пре де лах. Для поддержания требуемого режима технологической установки не обходимо измерение указанных параметров. При этом, чем достовернее осущ ествляется измерение технологических параметров, тем лучше ка чество ц елевого выходного продукта. Современные предприятия, напри мер нефтехи мического профиля с непрерывным характером производ ства, для поддержа ния качества выпускаемой продукции используют измерение различных физ ических параметров, таких, как температура, объемный и массовый расход в еществ, давление, уровень и количество вещества, время, состав вещества (п лотность, влажность, содержание ме ханических примесей и др.), напряжение , сила тока, скорость и др. При этом число требуемых для измерения параметр ов достигает нескольких тысяч. Например, в атомной энергетике число треб уемых для измерения параметров процессов достигает десятков тысяч. Получение и обработка измерительной информации предн азначены не только для достижения требуемого качества продукции, но и ор гани зации производства, учета и составления баланса количества вещест ва и энергии. В настоящее время важной областью применения измерительно й техники является автоматизация научно-технических экспериментов. Дл я повышения экономичности проектируемых объектов, механизмов и машин б ольшое значение имеют экспериментальные исследования, прово димые на и х физических моделях. При этом задача получения и обработки измерительн ой информации усложняется настолько, что ее эффективное решение станов ится возможным лишь на основе применения специализи рованных измерите льно-вычислительных средств. Роль измерительной техники подчеркнул великий русски й 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 последо вательным переходом от показывающих (се редина и вторая половина XIX в.), аналоговых самопишущих (конец XIX - начало XX в.), автоматических и цифровых приборов ( середина XX в. - 50-е годы) к информа ционно-измерительным системам. Конец XIX в. хара ктеризовался первыми успехами радиосвязи и радио электроники. Ее разви тие привело к необходимости создания средств из мерительной техники но вого типа, рассчитанных на малые входные сигна лы, высокие частоты и высо коомные входы. В этих новых средствах изме рительной техники использова лись радиоэлектронные компоненты -выпрямители, усилители, модуляторы и генераторы (ламповые, транзис торные, на микросхемах), электронно-лучевы е трубки (при построении осциллографов) и др. Таким образом, расширение номенклатуры и качественных показате лей средств измерительной техники неразрывно связано с дости жениями радиоэлектроники. Одним из современных направлений развития и зме рительной техники, базирующейся на достижениях радиоэлектроники, я вляются цифровые приборы с дискретной формой представления инфор маци и. Такая форма представления результатов оказалась удобной для преобра зования, передачи, обработки и хранения информации. Развитие дискретных средств измерительной техники в настоящее время привело к созданию циф ровых вольтметров постоянного тока, погрешность пока заний которых ниж е 0,0001 %, а быстродействие преобразователей напря жение - код достигает неск ольких миллиардов измерений в секунду; верхний предел измерения соврем енных цифровых частотомеров достиг гигагерца; цифровые измерители вре менного интервала имеют нижний предел измерения до долей пикосекунды; э лектрические токи измеря ются в диапазоне от 10~16 до 105 А, а длины - в диапазоне от 10~12 (раз мер атомов) до 3,086 • 1016 м Широкие возможности открылись перед измерительной техникой в связи с п оявлением микропроцессоров (МП) и микроЭВМ. Благода ря им значительно ра сширились области применения средств измеритель ной техники, улучшили сь их технические характеристики, повысились надежность и быстродейст вие, открылись пути реализации задач, кото рые ранее не могли быть решены. По широте и эффективности применения МП одно из первых мест занимает изм ерительная техника, причем все более широко применяются МП в системах уп равления. Трудно переоценить значение МП и микроЭВМ при создании автома тизированных средств измерений, предназначенных для управления, иссле дования, контроля и испытаний сложных объектов. Развитие науки и техники требует постоянного совершенствования средст в измерительной техники, роль которой неуклонно возрастает. Основные понятия и определения Поня тия и определения, используемые в измерительной технике, регламентирую тся ГОСТ 16263-70. Измерение-это информационный процесс получения опытным путем чи сленного отношения между данной физической величиной и неко торым ее зн ачением, принятым за единицу сравнения. Результат измерения — именованное число, найденное путем измерения фи зической величины. Результат измерения может быть при нят как действительное значение измеряемой величины. Одна из основных з адач измерения - оценка степени приближения или разности между истинным и действительным значениями измеряемой физической величины — погрешн ости измерения. Погрешность измерения - это отклонение результата и з мерения от истинного значения измеряемой величины . П огрешность изме рения является непосредственной характеристикой точн ости измерения. Точность измерения - степень близости результата из мере ния к истинному значению измеряемой физической величины . Изме рение уменьшает исходную неопределенность значения физичес кой велич ины до уровня неизбежной остаточной неопределенности, опре деляемой по грешностью измерения. Зн ачение погрешности измерения зависит от совершенства техничес ких уст ройств, способа их использования и условий проведения экспери мента. Принцип измерения - это физическое явление или совокупность физи ческих явлений, положенных в основу измерения. Примером может слу жить измерен ие температуры с использованием термоэффекта и другие физические явле ния, используемые для проведения эксперимента, кото рые должны быть выб раны с учетом получения требуемой точности изме рения. Измерительный эксперимент - это научно обоснованный опыт для получения количественной информации с требуемой или возможной точностью определ ения результата измерений. Проведение измерительного эксперимента пре дполагает наличие технических устройств, которые могут обеспечить зад анную точность получения результата. Технические устрой ства, участвую щие в эксперименте, заранее нормируются по показателям точности и относ ятся к средствам измерений. Средство измерений - это техническое устройство, исп ользуемое в измерительном эксперименте и имеющее нормированные характ ерис тики точности . Количественная информация, полученная путем измерения, представ ляет с обой измерительную информацию. И змерительная информация — это количественные сведения о свой стве или свойствах материального объекта, явления или процесса, получае мые с по мощью средств измерений в результате их взаимодействия с объектом. Количество измерительной информации - это численная мера умень шения не определенности количественной оценки свойств объекта . Взаимодействие объекта исследования и средств измерений в про цессе эк сперимента предполагает наличие сигналов, которые являются носителями информации. Важными носителями информации являются электрический ток, напряжение, импульсы и другие электрические пара метры. Измерительный сигнал — сигнал, функционально связа нный с изме ряемой физической величиной с заданной точностью . Метод измерения — это совокупность приемов использ ования прин ципов и средств измерений . Важное значение в измерительной технике имеет единство измерений. Единство измерений - такое состояние измерений, при к отором их результаты выражены в указанных единицах, а погрешности измер ений известны с заданной вероятностью. Единство измере ний позволяет срав нивать результаты различных экспериментов, проведе нных в различных условиях, выполненных в разных местах с использованием разных методов и средств измерений. Это достигается путем точного воспр оизведения и хранения установленных единиц физической величины и пере дачи 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 треб уемой точ ности. Мера предназначена для воспроизведени я физической величины данного размера. Законодательная метрология — это раздел метрологии, включающий компл ексы взаимосвязанных и взаимообусловленных правил, требова ний и норм, а также другие вопросы, нуждающиеся в регламентации и контроле со сторон ы государства, направленные на обеспечение единства измерений и единоо бразия средств измерений. В соответствии с изложен ным характеристики с редств измерений, определяющие точность измере ния с их помощью, называ ют метрологическими характеристиками средств измерения. Метрологичес кие характеристики обязательно нормируются и в установленном порядке с целью обеспечения единства измерений. Контроль — процесс установления соответствия межд у состоянием! (свойством) объекта контроля и заданной нормой . В результате контроля выдается суждение о состоянии объекта. ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЕ ИНФОРМАЦИОННЫЕ СИСТЕМЫ Общая классификация измерительных информационных систем Измерительная информационная с истема (ИИС) в соответствии с ГОСТ 8.437— 81 представляет собой совокупность ф ункционально объеди ненных измерительных, вычислительных и других всп омогательных техни ческих средств для получения измерительной информ ации, ее преобразо вания, 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 измеритель ных систем (ИС), систем автоматического контроля (САК), технической диагно стики (СТД), распознавания (идентификации) об разов (СРО). В СТД, САК и СРО изм ерительная система входит как под система. Информация, характеризующая объект измерения, воспринимается ИИС, обра батывается по некоторому алгоритму, в результате чего на выходе системы получается количественная информация (и только ин формация), отражающая состояние данного объекта. Измерительные информационные системы суще ственно отличаются от других типов ин формационных систем и систем авто матического 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 ис пользоваться для принятия каких-либо решений, например, для управления к онкретным экспериментом. Каждому конкретному виду ИИС присущи многочисленные особен ности, опре деляемые узким назначением систем и их технологически конструктивным исполнением. Ввиду многообразия видов ИИС до на стоящего времени не сущ ествует общепринятой классификации ИИС. Наиболее распространенной является классификация ИИС по функ циональ ному назначению. По этому признаку, как было сказано выше, будем различат ь собственно ИС, САК, СТД, СРО. По характеру взаимодействия системы с объектом исследования и обмена и нформацией между ними ИИС могут быть разделены на актив ные и пассивные. Пассивные системы только воспринимают информацию от объекта, а активны е, действуя на объект через устройство внешних воздействий, позволяют ав томатически и наиболее полно за короткое время изучить его поведение. Такие структуры широко применяются при автоматизации на учных исследований различных объектов. В зависимости от характера обмена информацией между объектами и активн ыми ИИС различают ИС без обратной связи и с обратной связью по воздейств ию. Воздействие на объект может осуществляться по заранее установленно й жесткой программе либо по программе, учитывающей реакцию объекта. В пе рвом случае реакция объекта не влияет на характер воздействия, а следова тельно, и на ход эксперимента. Его результаты могут быть выданы оператор у после окончания. Во втором случае резуль таты реакции отражаются на ха рактере воздействия, поэтому обработка ведется в реальном времени. Таки е системы должны иметь развитую вы числительную сеть. Кроме того, необхо димо оперативное представление информации оператору в форме, удобной д ля восприятия, с тем чтобы он мог вмешиваться в ход процесса. Эффективность научных исследований, испытательных, поверочных работ, о рганизации управления технологическими процессами с примене нием ИИС в значительной мере определяется методами обработки изме рительной ин формации. Операции обработки измерительной информации выполняются в устройства х, в качестве которых используются специализированные либо универсаль ные ЭВМ. В некоторых случаях функции обработки результа тов измерения м огут осуществляться непосредственно в измерительном тракте, т. е. измери тельными устройствами в реальном масштабе времени. В системах, которые содержат вычислительные устройства, обработка инфо рмации может производиться как в реальном масштабе времени, так и с пред варительным накоплением информации в памяти ЭВМ, т. е. со сдвигом по време ни. При исследовании сложных объектов или выполнении многофактор ных эксп ериментов применяются измерительные системы, сочетающие высокое быстр одействие с точностью. Такие ИИС характеризуются боль шими потоками инф ормации на их выходе. Значительно повысить эффективность ИИС при недостаточной апри орной и нформации об объекте исследования можно за счет сокращения избыточнос ти информации, т. е. сокращения интенсивности потоков изме рительной инф ормации. Исключение избыточной информации, несущест венной с точки зрен ия ее потребителя, позволяет уменьшить емкость устройств памяти, загруз ку устройств обработки данных, а следователь но, и время обработки инфор мации, снижает требования к пропускной способности каналов связи. При проектировании и создании ИИС большое внимание уделяется проблеме повышения достоверности выходной информации и снижения вероятностей в озникновения (или даже исключения) нежелательных ситуаций. Этого можно д остичь, если на ИИС возложить функции само контроля, в результате чего ИИ С способна осуществлять тестовые провер ки работоспособности средств системы и тем самым сохранять метроло гические характеристики тракта п рохождения входных сигналов, проверять достоверность результатов обра ботки информации, получаемой посредством измерительных преобразовани й, и ее представления. Все более широкое развитие получают системы, предусматривающие автома тическую коррекцию своих характеристик — самонастраивающие ся (самок орректирующиеся) системы. Введение в такие системы свойств автоматического использования резуль татов самоконтроля — активного изучения состояния ИИС — и приспособл яемости к изменению характеристик измеряемых сигналов или к изменению условий эксплуатации делает возможным обеспечение заданных параметро в системы. Классификация ИИС по функциональному назначению В зависимости от функционального назначения структуры ИИС под разделя ют по принципу построения. Рассмотрим основные особенности и отличия. Собственно измерительные системы используются для различного рода ком плексных исследований научного характера. Они предназначены для работ ы с объектами, характеризующимися до начала эксперимента минимумом апр иорной информации. Цель создания таких систем заклю чается в получении максимального количества достоверной измеритель ной информации об об ъекте для составления алгоритмического описа ния его поведения. Обратная связь системы с объектом отсутствует или носит вспомо гательн ый характер. Как отмечалось, информация, полученная на выходе ИИС, может и спользоваться для принятия каких-либо решений, создания возмущающих во здействий, но не для управления объектом. ИИС пред назначена для создани я дополнительных условий проведения эксперимента, для изучения реакци и объекта на эти воздействия. Следовательно, использо вание информации не входит в функции ИИС. Эта информация предостав ляется человеку-опера тору или поступает в средства автоматической об работки информации. Для измерительных систем характерны: · более высокие по отношению к системам другого вида требова ния к метрологическим характеристикам; · более широкий спектр измеряемых физ ических величин и в особен ности их количество (число измерительных кан алов); · необходимость в средствах представ ления информации; это связано с тем, что основной массив информации с вых ода систем передается чело веку для принятия им решения об изменении ус ловий проведения экспе римента, его продолжении или прекращении. Поэтом у определяющим требованием является неискаженное, наглядное и операти вное представ ление текущей информации с учетом динамики ее обновления и быстро действия системы, обеспечивающее удобство восприятия и анализ а чело веком; · большой объем внешней памяти для сис тем, в которых обработка и анализ результатов осуществляется после заве ршения эксперимента с помощью набора различных средств обработки и пре доставления информации. Разновидности ИС · ИС для прямых измерений, т. е. не зависимых измерений дис кретных значений непрерывных величин; · статистические ИС, предназначенные для измерения статистичес ких характеристик измеряемых величин; · системы, предназначенные для раздел ьного измерения зависи мых величин. Входными в ИС для прямых измерени й являются величины, воспри нимаемые датчиками или другими входными уст ройствами системы. Задача таких ИС заключается в выполнении аналого-циф ровых преобра зований множества величин и выдаче полученных результат ов измерения. В рассматриваемых ИС основные типы измеряемых входных величин могут бы ть сведены либо к множеству изменяющихся во времени вели чин, либо к изме няющейся во времени t и распре деленной по пространству Л непрерывной функции х ( t , Л). При изме рении непрерывная функция х ( t , Л) представляется множеством дискрет. Измерительные системы, производящие измерения дискрет функции x ( t , Л), основаны на использовании многоканальных, многоточечных, муль типлицированных и сканирующих структур. Многоканальные системы объединяются в один из самых распространенных классов измерительных систем параллельного действия, применяемых во в сех отраслях народного хозяйства. Основные причины столь широкого расп ространения многоканальных ИС заключаются в возмож ности использован ия стандартных, относительно простых, измеритель ных приборов, в наибол ее высокой схемной надежности таких систем, в возможности получения наи большего быстродействия при одновре менном получении результатов изм ерения, в возможности индивидуального подбора СИ к измеряемым величина м. Недостатки таких систем — сложность и большая стоимость по срав нению с другими системами. В измерительных системах последовательного действия - сканирую щих изм ерительных системах — операции получения информации выпол няются пос ледовательно во времени с помощью одного канала измерения. Если измеряе мая величина распределена в пространстве или собственно координаты то чки являются объектом измерения, то восприятие инфор мации в таких сист емах выполняется с помощью одного сканирующего датчика. Сканирующие системы находят применение при расшифровке гра фиков. В мед ицине, геофизике, метрологии, при промышленных испыта ниях, во многих отр аслях народного хозяйства и при научных исследова ниях затрачивается з начительное время на измерение параметров графичес ких изображений и п редставление результатов измерения в цифровом виде. Для указанных целе й промышленностью выполняются различные специализированные полуавто матические расшифровочные устройства и системы ("Силуэт"). Сканирование может выполняться непосредственно воспринимающим элеме нтом или сканирующим лучом при неподвижном воспринимающем элементе. Та кими элементами могут быть оптико-механические или электронно-разверт ывающие устройства. Для измерения координат графических изображений применяются различны е акустические системы. В геологии и картографии, океанологии и других о бластях при автоматизации проектирования осуществляются измерения и в ыдача в цифровом виде координат сложных графических изображений на фот о носителях, чертежах и документах. При этом генера тор (полуавтоматичес кие измерения) лишь указывает точки изображения, координаты которых нео бходимо измерить. Используемые здесь датчики, как правило, осуществляют преобразование координат точек в интервалы времени прохождения светов ых или акустических импульсов между точ ками, координаты которых были и змерены. При и спользовании в устройствах ЭВМ одновременно со считыванием координат осуществляют обработку графических изображений по задан ной программ е. Голографические ИС (ГИС). Основу датчиков составляют ла зеры, представляющие собой когерентные источники света, когерентная оп ти ка и оптоэлектронные преобразователи. Голографические измерительн ые системы отличаются высокой чув ствительностью и повышенной точност ью, что послужило основой широ кого их применения в голографической инт ерферометрии. Голографическая интерферометрия обеспечивает бесконта ктное измерение и одно временное получение информации от множества точ ек наблюдаемой по верхности с использованием меры измерения — длины св етовой волны, известной с высокой метрологической точностью. Выполнение условий минимальной сложности ИС приводит к необ ходимости последовательного многократного использования отдельных устройств и змерительного тракта, а следовательно, к применению ИС параллельно-посл едовательного действия, которые носят название многоточечных ИС. Работ а таких ИС основана на принципе квантования измеряе мых непрерывных вел ичин по времени. Изме рительные системы с общей образцовой величиной — мультипли цированны е развертывающие измерительные системы — содержат мно жество паралле льных каналов. Структура системы включает датчики и устройство сравнен ия (одно для каждого канала измерения), источник образцовой величины и од но или несколько устройств представления из мерительной информации. Му льтиплицированные развертывающие изме рительные системы позволяют в течение цикла изменения образцовой величины (развертки) выполнять изме рение значений, однородных по физической природе измеряемых величин, бе з применения коммутацион ных элементов в канале измерения. Такие ИС име ют меньшее количество элементов по сравнению с ИС параллельного действ ия и могут обеспечить практически такое же быстродействие. Статистические измерительные системы . Статистический анализ слу чайных величин и процессов широко распространен во многих о траслях науки и техники. При статистическом анализе используются закон ы рас пределения вероятностей и моментные характеристики, а также корре ля ционные спектральные функции. Системы для измерения законов распределения вероятностей слу чайных п роцессов - анализаторы вероятностей - могут быть одно- и много канальными. Одноканальные анализаторы вероятностей за цикл анализа реализации x ( t ) позволяют получить одно дискретное значение функции или п лот ности распределения исследуемого случайного процесса. Многоканальные анализаторы позволяют получать законы распреде ления амплитуд импульсов и интервалов времени между ними, амплитуд непрерывн ых временных и распределенных в пространстве случайных процессов и др. М ногоканальные анализаторы широко используются в ядерной физике, биоло гии, геофизике, в химическом и металлургическом производствах. При этом используются аналоговые, цифровые и смешан ные принципы построения ана лизаторов. Существует два основных метода построения корреляционных изме ритель ных систем. Первый из них связан с измерением коэффициентов корреляции и последующим восстановлением всей корреляционной функ ции, второй - с из мерением коэффициентов многочленов, аппроксими рующих корреляционную функцию. По каждому из этих методов система может действовать последова тельно, параллельно, работать с аналоговыми или кодоимпульсными сиг налами и в реальном времени. Значительный класс статистических ИС - корреляционные экстремаль ные И С — основан на использовании особой точки — экстремума корре ляционно й функции при нулевом значении аргумента. Корреляционные экстремальны е ИС широко применяются в навигации, радиолокации, металлообрабатывающ ей, химической промышленности и в других об ластях для измерения параме тров движения разнообразных объектов. Выделение сигналов на фоне шумов, измерение параметров движе ния, распо знавание образов, идентификация, техническая и медицинская диагностик а - это неполный перечень областей практического приме нения методов и с редств корреляционного анализа. В настоящее время подавляющий объем ст атистического анализа выполняется корреляцион ными ИС, содержащими ЭВ М, либо отдельными устройствами со сред ствами микропроцессорной техни ки. Системы спектрального анализа предназначены для количественной оценк и спектральных характеристик измеряемых величин. Существую щие методы спектрального анализа основываются на применении частот ных фильтров или на использовании ортогональных преобразований слу чайного процес са и преобразований Фурье над известной корреляционной функцией. Различают параллельный фильтровый анализ (полосовые избиратель ные фи льтры-резонаторы), последовательный фильтровый анализ (пере страиваемы е фильтры и гетеродинные анализаторы), последовательно-параллельный ан ализ. Достоинства бесфильтровых анализаторов, основанных на определе нии ко эффициентов ряда Фурье, связаны с получением высокой разре шающей спосо бности, что позволяет их использовать для детального ана лиза определен ных участков спектра. Сист емы для раздельного измерения взаимосвязанных величин при меняются в с ледующих случаях: · исследуемое явление или объек т характеризуется множеством неза висимых друг от друга величин и при н али чии селективных датчиков можно осуществить измерение всех значени й · при независимых, но не селективных да тчиках, сигналы на вы ходе 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 взаимн о связанных измерений - измерение концентрации составляющих многокомп онентных жидких, газовых или твердых смесей или параметров компонентов сложных элек тронных цепей без гальванического расчленения. При раздельном измерении взаимосвязанных величин осуществляется возд ействие на многокомпонентное соединение в целях селекции и измере ния н ужного компонента. Для механических и химических соединений существую т различные методики и средства такого раздельного измерения: масс-спек трометрия, хроматография, люминесцентный анализ и др. Системы, измеряющие коэффициенты приближающих многочленов, называются аппроксимирующими (АИС) и предназначены для количест венного описания величин, являющихся функциями времени, простран ства или другого аргуме нта, а также их обобщающих параметров, опреде ляемых видом приближающег о многочлена. Информационные операции в АИС выполняются последовательным, параллель ным или смешанным способом. АИС реализуются с разомкнутой или замкнутой информационной обратной связью, в виде аналоговых или цифровых устройс тв. При создании и использовании АИС выбирают тип приближающего многочлен а и с учетом заданной погрешности аппроксимации определяют порядок фун кции. Реализация задач АИС требует знания априорных сведений об исход ной фун кции, учета метрологических требований к измерениям и др. При этом в каче стве базисных функций могут быть выбраны ряды Фурье, разложения Фурье-Уо лша, Фурье-Хаара, многочлены Чебышева, Лагранжа, Лежандра, Лагерра и др. К осн овным областям применения АИС относятся измерение статис тических хар актеристик случайных процессов и характеристик нелиней ных объектов, с жатие радиотелеметрической информации и информации при анализе изобра жений, фильтрация-восстановление функций, генерация сигналов заданной формы. Системы автоматического контроля (САК). Системы автомат ичес кого контроля предназначены для контроля технологических процес сов, при этом характер поведения и параметры их известны. В этом случае об ъ ект контроля рассматривается как детерминированный. Эти системы осуществляют контроль соотношения между текущим (измеренн ым) состоянием объекта и установленной "нормой поведения" по известной м атематической модели объекта. По результатам обработки полученной инф ормации выдается суждение о состоянии объектов конт роля. Таким образом , задачей САК является отнесение объекта к одному из возможных качествен ных состояний, а не получение количественной информации об объекте, что характерно для ИС. В САК благодаря переходу от измерения абсолютных величин к от носительн ым (в процентах "нормального" значения) эффективность ра боты значительн о повышается. Оператор САК при таком способе коли чественной оценки пол учает информацию в единицах, непосредственно характеризующих уровень опасности в поведении контролируемого объ екта (процесса). Как правило, САК имеют обратную связь, используемую для воздей ствия на о бъект контроля. В них внешняя память имеет значительно мень ший объем, че м 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 достаточ ен для составления алгоритма контроля и функционирова ния самой САК, пр едусматривающего выполнение операций по обработ ке информации. Алгори тм функционирования САК определяется пара метрами объекта контроля. На пример, существуют параметры, кратко временное отклонение которых от "н ормального" значения может по влечь за собой возникновение аварийной си туации; кратковременное от клонение других параметров существенно не в лияет на нормальный ход процесса и поведение объекта; третья группа пара метров используется для расчета технико-экономических показателей (ра сход сырья, выход основ ного продукта и т. д.). По сравнению с ИС эксплуатационные параметры САК более высокие: длитель ность непрерывной работы, устойчивость и воздействие промыш ленных пом ех, климатические и механические воздействия. В настоящее время в основу классификации САК положена общая классифика ция ИИС с учетом специфики функций, выполняемых САК. Системы автоматического контроля могут быть встроенные в объект контр оля и внешние по отношению к нему. Первые преимущественно при меняются в сложном радиоэлектронном оборудовании и входят в комп лект такого обор удования. Вторые обычно более универсальны. Системы технической диагностики (СТД). Они относятся к классу ИИС, так как здесь обязательно предполагае тся выполнение измеритель ных преобразований, совокупность которых со ставляет базу для логичес кой процедуры диагноза. Цель диагностики - опр еделение класса состоя ний, к которому принадлежит состояние обследуем ого объекта. Диагностику следует рассматривать как совокупность множества возможн ых состояний объекта, множества сигналов, несущих информа цию о состоян ии объекта, и алгоритмы их сопоставления. Объектами технической диагностики являются технические системы. Элеме нты любого технического объекта обычно могут находиться в двух состоян иях: работоспособном и неработоспособном. Поэтому задачей систем техни ческой диагностики СТД является определение работоспособ ности элеме нта и локализация неисправностей. Основные этапы реализации СТД: · выделение состояний элементов объекта диагностики контро лируемых величин, сбор необходимых статистических данных, оценка затра т труда на проверку; · построение математической модели о бъекта и разработка програм мы проверки объекта; · построение структуры диагностическ ой системы. Элементы объекта диагноза, как пр авило, недоступны для непосред ственного наблюдения, что вызывает необх одимость проведения проце дуры диагноза без разрушения объекта. В силу этого в СТД преимуществен но применяются косвенные методы измерения и к онтроля. В отличие от ИС и САК система технической диагностики имеет иную организ ацию элементов структуры и другой набор используемых во вход ных цепях устройств и преобразователей информации. Входящий в состав структуры С ТД набор средств обработки, анализа и представления информации может ок азаться значительно более развитым, чем в ИС и САК. В СТД определение сост ояния объекта осуществляется программными средствами диагностики. При поиске применяется комбинационный или последовательный метод. При комбинационном поиске выполняется заданное число проверок независ имо от порядка их осуществления. Последовательный поиск свя зан с анали зом результатов каждой проверки и принятием решения на проведение посл едующей проверки. Системы технической диагностики подразделяют на спе циализированные и универсальные. По целевому назначению различают диагностические и прогнозирую щие СТ Д. Диагностические системы предназначены для установления точного диа гноза, т. е. для обнаружения факта неисправности и локали зации места неис правности. Прогнозирующие СТД по результатам про верки в предыдущие мом енты времени предсказывают поведение объекта в будущем. По ви ду используемых сигналов СТД подразделяют на аналоговые и кодовые. По ха рактеру диагностики или прогнозирования различают статистические и де терминированные СТД. При статистической оценке объекта решение выноси тся на основании ряда измерений или проверок сигналов, характеризующих объект. В детерминированной СТД пара метры измерения реального объекта сравниваются с параметрами образцовой системы (в СТД должны храниться о бразцовые параметры прове ряемых узлов). Системы технической диагности ки подразделяют также на автоматические и полуавтоматические, а по возд ействию на проверяе мые объекты они могут быть пассивными и активными. В пассивной СТД результат диагностики представляется на световом табло либо в виде ре гистрационного документа, т. е. результатом проверки являе тся только сообщение о неисправности. При активной проверке СТД автомат ически подключает резерв или осуществляет регулирование параметров от дельных элементов. Конструктивно СТД подразделяют на автономные и встр оенные (или внешние и внутренние). Системы распознавания образов (СРО) . П редназначены для опреде ления степени соответствия между исследуемым объектом и эталонным образом. Для задач классификации биологических объектов и дактилоскопи ческих снимков, опознавания радиосигналов и других создаются специаль ные сис темы распознавания образов. Эти системы осуществляют распознавание об разов через количественное описание признаков, характеризую щих данны й объект исследования. Процесс распознавания реализуется комбинацией устрой ств обработ ки и сравнения обработанного изображения (описания образа) с эталон ным образом, находящимся в устройстве памяти. Распознавание ос ущест вляется по определенному, заранее выбранному, решающему правилу. При абсолютном описании образа изображение восстанавливается с задан ной точностью, а относительное описание с набором значений отличитель н ых признаков (например, спектральных характеристик), не обеспечивая полн ое воспроизведение изображения. Как пример СРО можно привести голографические распозн ающие системы ( PC ). В этих система х распознавание изображений осуществля ется с относительно высокой ск оростью (от 103 до 106 изображений в секунду благодаря параллельному анализу голограмм). Голографические PC нашли широкое применение при поиске химических элементов по спектрам и х поглощения и в навигации при определении положения объ екта по наземн ым ориентирам. В голографических PC удачно сочетаются высокая производительность оптических метод ов сбора и обработка инфор мации с логическими и вычислительными возмож ностями ЭВМ. Телеизмерительные информационные системы (ТИИС) . Они отлича ются от ранее рассмотренн ых в основном длиной канала связи. Канал связи является наиболее дорогой и наименее надежной частью этих сис тем, поэтому для ТИИС резко возраста ет значение таких вопросов, как надежность передачи информации. Теле измерительные ИИС могут быть одно- или многоканальными. Они предназнача ются для измерения параметров сосредоточенных и рассредоточенных объе ктов. В зависимости от того, какой параметр несущего сигнала используетс я для передачи информации, можно выделить ТИИС: · интенсивности, в которых несу щим параметром является значение тока или напряжения; · частотные (частотно- импульсные), в которых измеряемый параметр меняет частоту синусоидальн ых колебаний или частоту следования им пульсов; · времяимпульсные, в к оторых несущим параметром является дли тельность импульсов; к ним же от носятся фазовые системы, в которых измеряемый параметр меняет фазу сину соидального сигнала или сдвиг во времени между двумя импульсами; · кодовые (кодоимпуль сные), в которых измеряемая величина переда ется какими-либо кодовыми ко мбинациями. Системы интенсивности подразде ляются на системы тока и системы напряжения в зависимости от того, какой вид сигнала используется для информации. Этим системам присущи сравнит ельно большие погреш ности, и они используются при передаче информации на незначительное расстояние. Частотные ТИИС имеют большие возможности, поскольку в н их прак тически отсутствуют погрешности, обусловленные влиянием линий связи, и возрастает дальность передачи информации по сравнению с систем ами интенсивности. Время-импульсные системы по длительности применяемых для пере дачи импульсов подразделяют на две группы: системы с большим пе рио дом (от 5 до 50 с) и системы с малым периодом (менее десятых долей секунды). Длиннопериодные системы применяются в основном для из мерения медленно меняющихся неэлектрических величин (уровень жидкости , давление газов и др.). Короткопериодные системы имеют большое быстродействи е. Для передачи коротких импульсов требуется большая полоса частот, проп ус каемых каналом связи. В силу этого такие системы с проводными лини ями связи (ЛС) используются редко. В последнее время получили широкое развитие адаптивны е ТИИС, в которых алгоритмы работы учитывают изменение измеряемой велич и ны или окружающих условий (воздействий). Основная цель применения адаптивных ТИИС состоит в иск лючении избыточности выдаваемой системой измерительной информации и в со хранении или оптимизации метрологических характеристик (помехоус т ойчивости, быстродействия, погрешностей) при изменении условий из мерит ельного эксперимента. В адаптивных ТИИС используются алгоритмы адаптивной д искрети зации и могут быть использованы алгоритмы адаптивной аппрокси мации. Обобщенная структура ИИС Расс мотренные выше измерительные информационные системы пока зывают, что п очти для каждого типа ИИС используется цепочка из аппарат ных модулей (и змерительных, управляющих, интерфейсных, обрабатываю щих). Таким образо м, обобщенная структурная схема ИИС содержит: · множество различных первичны х измерительных преобразователей, размещенных в определенных точках п ространства стационарно или перемещающихся в пространстве по определе нному закону; · множество измерите льных преобразователей, которое может состо ять из преобразователей ан алоговых сигналов, коммутаторов аналоговых сигналов, аналоговых вычис лительных устройств, аналоговых устройств памяти, устройств сравнения аналоговых сигналов, аналоговых каналов связи, аналоговых показывающи х и регистрирующих измерительных приборов; · группу аналого-цифр овых преобразователей, а также аналоговых устройств допускового контр оля; · множество цифровых устройств, содержащее формирователи им пульсов, преобразователи кодов, коммутаторы, специализированные цифровые вычислительные устройства, у стройство памяти, устройство сравнения кодов, каналы цифровой связи, уни версальные программируе мые вычислительные устройства - микропроцесс оры, микроЭВМ и др.; · группу цифровых уст ройств вывода, отображения и регистрации, которая содержит формировате ли кодоимпульсных сигналов, печатающие устройства записи на перфолент у и считывания с перфоленты, накопите ли информации на магнитной ленте, н а магнитных дисках и на гибких магнитных дисках, дисплеи, сигнализаторы, цифровые индикаторы; · множество цифроана логовых преобразователей; · указанные функцион альные блоки соединяются между собой через стандартные интерфейсы или устанавливаются жесткие связи; · интерфейсные устро йства (ИФУ), содержащие системы шин, интер фейсные узлы и интерфейсные ус тройства аналоговых блоков, служа щие главным образом для приема команд ных сигналов и передачи ин формации о состоянии блоков. Например, через и нтерфейсные устрой ства могут передаваться команды на изменение режим а работы, на под ключение заданной цепи с помощью коммутатора; · устройство управле ния, формирующее командную информацию, принимающее информацию от функц иональных блоков и подающее ко манды на исполнительные устройства для ф ормирования воздействия на объект исследования (ОИ). Однако не для всякой ИИС требуетс я присутствие всех блоков. Для каждой конкретной системы количество бло ков, состав функций и связи между блоками устанавливаются услови ями пр оектирования. ИНТЕРФЕЙСЫ ИЗМЕРИТЕЛЬНЫХ СИСТЕМ Общие понятия и определения В настоящее время ИИС находят все более широкое применение в различных о бластях науки и техники. Они применяются в качестве компонентов сложных информационно-вычислительных комплексов и систем автоматизации. Особе нно важную роль играют автоматические ИИС, ис пользующие ЭВМ для програ ммного управления работой системы. Возросшие объемы проводимых измерений привели к широк ому использованию программно-управляемых СИ. При этом возросшие требо в ания к характеристикам СИ оказали существенное влияние на методы сопря жения устройств, образующих ИИС. Информационно-измерительные системы содержат ряд под систем: измерительную, сбора, преобразования, предварительной обработк и данных и подсистемы управления СИ в целом. Все подсистемы в ИИС соедине ны между собой в единую систему. Кроме того, ИИС в настоящее время проек т ируют на основе агрегатного (модульного) принципа, по которому уст ройст ва, образующие систему, выполняются в виде отдельных, самостоя тельных и зделий (приборов, блоков). В составе ИИС эти устройства выпол няют определ енные операции и взаимодействуют друг с другом, переда вая информационн ые и управляющие сигналы через систему сопряжения. Для унифицированных систем сопряжения между устройст вами, участ вующими в обмене информации, стал общепринятым термин интер фейс ( interface ). Под интерфейсом (или с опряжением) понимают совокуп ность схемотехнических средств, обеспечи вающих непосредственное взаимодействие составных элементов ИИС (ГОСТ 15971— 74). Устройства подсоединяются к системе сопряжения и объединяются в И ИС по опреде ленным правилам, относящимся к физической реализации сопря жении. Конструктивное исполнение этих устройств, характеристики выраб атывае мых и принимаемых блоками сигналов и последовательности выдава е мых сигналов во времени позволяют упорядочить обмен информацией межд у отдельными функциональными блоками (ФБ). Под интерфейсной системой понимают совокупность лог ических уст ройств, объединенных унифицированным набором связей и пред назначен ных для обеспечения информационной, электрической и конструк тивной совместимости. Интерфейсная система также реал изует алгоритмы взаи модействия функциональных модулей в соответстви и 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 пара метров эле ментов системы; использование функциональных блоков с адаптивными характерис тиками по входам-выходам. На практике часто сочетают оба подхода. Стандартизация интерфей сов поз воляет: · проектировать ИИС различных конфигураций; · значительно сократить число типов С И и их устройств сопряжения; · ускорить и упростить разработку отд ельных СИ и ИИС в целом; · упростить техническое обслуживание и модернизацию ИИС; · повысить надежность ИИС. Применение развитых стандартны х интерфейсов при организации ИИС позволяет обеспечить быструю компон овку системы и разработку программ управления СИ. Основной структурной единицей ИИС является функциональный блок ФБ, кот орый представляет собой один или несколько объединенных и взаимодейст вующих между собой измерительных преобразователей. Взаимодействие ФБ осуществляется через интерфейсные блоки ИБ по командам, организующим о бмен данными. Команды управления форми руются в управляющем блоке УБ и в оздействуют на интерфейсные блоки через контроллер (К). Межд у ФБ ИИС осуществляется обмен информационными и управляющими сообщени ями. Информационное сообщение содержит сведения о значении измеряемог о параметра, диапазоне измерения, времени изме рения, результатах контр оля состояния измерительных каналов и др. Управляющее сообщение содерж ит сведения о режиме работы ФБ, поряд ке выполнения ими последовательно сти операций во времени, команде контроля состояния измерительных кана лов. Ин терфейс может быть общим для устройств разных типов, наиболее распростр аненные интерфейсы определены международными, государ ственными и отр аслевыми стандартами. Стандарт (ГОСТ 26016— 81 "Еди ная сист ема стандартов приборостроения. Интерфейсы, признаки клас сификации и о бщие требования") включает четыре признака классифика ции: способ соединения комплектов системы (магистральный, радиаль ный, ц епочечный, комбинированный); способ передачи информации (па раллельный, последовательный, параллельно-последовательный); принцип обмена инфор мацией (асинхронный, синхронный); режим передачи ин формации (двусторонн яя одновременная передача, двусторонняя пооче редная передача, односто ронняя передача). Указанные признаки позволяют характеризовать только определен ные ас пекты организации интерфейсов. Более полная характеристика и систематизация интерфейсов могут быть в ыполнены при условии классификации по нескольким совокупнос тям призн аков: функциональному назначению, логической функциональ ной организа ции и физической реализации. К основным характеристикам интерфейса относятся след ующие: 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 пер едачи данных; количество адресов; количество команд; быстродействие; дли на линий связи; число подключаемых устройств; тип линии связи. Соед инение отдельных приборов и блоков между собой осуществля ется линиями связи или линиями интерфейса. Линии интерфейса могут объединяться в гру ппы для выполнения одной из операций в программно-управляемом процессе передачи данных. Эти группы линий называются шинами интерфейса. Назначе ние отдельных линий и шин, их номенклатура и взаимное расположение в сис теме (топологии) являются базовыми при рассмотрении функционирования л юбого интерфейса. В о течественных и зарубежных микропроцессорных измерительно-управляющи х вычислительных системах (МП ИУВС) распространены асинхронные мультип лексные интерфейсы с параллельным способом передачи информации: 8-разря дные интерфейсы Microbus ; 16-разрядны е интерфейсы общая шина ( Unibus ), Microbus , интерфейс микроЭВМ "Элек тр оника 60" ( Q - bus , LSI -11). Для связи датчиков информации, исполнительных элементов, терри ториаль но удаленных от процессора на десятки и сотни метров, в МП ИУВС применяют интерфейсы периферийных устройств. В таких интер фейсах используются к ак параллельный, так и последовательный спосо бы обмена информацией. Пр и этом последний по причине существенного упрощения собственно линии с вязи, а следовательно, и снижения стои мости наиболее предпочтителен, ес ли при этом обеспечивается необходи мая скорость передачи информации. В последнее время в связи с развитием микро- и мультипроцессорных ИУВС, о тдельные микропроцессоры или устройства ввода-вывода кото рых могут от стоять друг от друга территориально на сотни метров (на пример, заводска я или цеховая ИУВС), все более широко применяются системные интерфейсы и ли интерфейсы локальных сетей. Системный интерфейс, как правило, имеет м ногоуровневую архитектуру (совокуп ность) аппаратных и программных сре дств. 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 струк туры соединения функциональных блоков между собой: · цепочечное соединение, при котором единственный выход пре дшест вующего блока соединен с единственным входом последующего блок а, так что соединенные блоки образуют цепь; · радиальное соединение, при котором о дин блок соединен одновремен но с несколькими блоками, причем с каждым и з них отдельной независи мой линией; · магистральное соединение, при котор ом входы и (или) выходы сопрягаемых блоков соединены одной общей линией. В цепочечной структуре каждая па ра источник-прием ник соединена попарно линиями от выходов предыдущих Ф Б ко входам последующих, обмен данными происходит непосредственно межд у бло ками или приборами. Функции управления распределены между этими у стройствами. Цепочечную структуру интерфейсов используют, как пра вило , в несложных системах с несколькими функциональными уст ройствами. В системе, выполненной по радиальной структуре, име ется центральное ус тройство - контроллер, с которым каждая пара ис точник-приемник связана с помощью индивидуальной группы шин. Бло ки и приборы, подключаемые к конт роллеру, могут изменять свои места при соответствующем изменении прогр аммы работы контроллера. Под управлением контроллера происходит обмен данными между каждым устройством и контроллером. Связи между управляющ им устройством и одним из устройств-источников или приемников сигналов может осу ществляться как по инициативе контроллера, так и по инициатив е уст ройств (абонентов). В последнем случае одно из устройств вырабатыва ет сигнал запроса на обслуживание, а контроллер идентифицирует запраши ваемое устройство. Когда контроллер готов к обмену данными, логически по дключаются цепи связи и начинается процесс обмена. Эти цепи остаются под ключенными, 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 уст ройством, имеющим наивысший приоритет. Приоритет присваивается приборам и блокам в завис имости от их типа, технических характерис тик и важности поступающей ин формации. В интерфейсах с радиальной структурой чаще всего приоритет за висит от места подключения кабеля, соединяющего абонент (ФБ) с контролле ром. Радиальное соединение функциональных блоков позволяет достаточ но пр осто и быстро осуществлять адресацию и идентификацию требуе мого ФБ. К недостаткам радиальной структуры можно отнести большую дли ну соедин ительных линий, а также сложность контроллера, что приводит к увеличению стоимости ИС. В системах с магистральной структурой вместо группы индивидуальных ши н имеются коллективные шины, к которым подсоеди няются все источники и п риемники информации и контроллер. По принципу обмена информацией интерфейсы подразделяют на па раллельн ые, последовательные и параллельно-последовательные. При параллельной передаче цифровых данных численное значение величины, содержащее т бит ов, транслируют по т информационным линиям. Это сообщение одновременно и полностью может быть введено в интерфейс, а также воспринято приемником . Интерфейсные устройства параллель ного ввода-вывода информации позво ляют согласовать во времени процесс обмена данными между ЭВМ и перифери йным устройством. Интерфейсные функции Основные функции интерфейса заключаются в обеспечении информа ционно й, электрической и конструктивной совместимости между функ циональным и элементами системы Информационная совместимость - это согласованность взаимодей ствий фу нкциональных элементов системы в соответствии с совокупностью логичес ких условий. Логические условия определяют: · структуру и состав унифицированного набора шин; · набор процедур по реализации взаимо действия и последовательности их выполнения для различных режимов фун кционирования; · способ кодирования и форматы данных, команд, адресной информации и информации состояния; · временные соотношения между управл яющими сигналами. Логические условия информацион ной совместимости определяют функциональную и структурную организаци ю интерфейса и для большин ства интерфейсов стандартизируются. Условия информационной совмес тимости определяют объем и сложность схемотехн ического оборудования и программного обеспечения, а также основные тех нико-экономические показатели (пропускную способность и надежность ин терфейса). Электрическая совместимость — это согласованность статических и дина мических 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 сигна лов и пределы их изменения; · коэффициенты нагрузочной способнос ти приемопередающих элементов; · схему согласования линии; · допускаемую длину линии и порядок по дключения линий к разъемам; · требования к источникам и цепям элек трического питания; · требования к помехоустойчивости и з аземлению. Условия конструктивной совмес тимости определяют: · типы соединительных элементов (разъем, штекер); · распределение сигналов интерфейса по контактам соединительных элементов; · типы конструкции платы, каркаса, стой ки; · конструкции кабельного соединения. Выполнение информационных элек трических и конструктивных усло вий интерфейса необходимо, но не достат очно для взаимного сопряжения устройств и обмена данными между ними. Эти устройства должны выпол нять в определенной последовательности опера ции, связанные с обме ном информации: распознавать адрес сообщения, подк лючаться к линиям интерфейса, передавать сообщение в интерфейс, принима ть его из интер фейса и др. Интерфейсные функции отличаются от приборных, связанных непо средстве нно с проведением измерения, т. е. с преобразованием данных, их накопление м, первичной обработкой, представлением и др. Интерфейсные функции обеспечивают совместимость друг с другом различн ых приборов, не ограничивая работоспособность других приборов в систем е. Функции, которые устройства выполняют чаще всего, называют ся основны ми. К ним относятся: · выдача и прием информации (выполняются источниками и прием ни ками информации); · управление передачей данных (функци я контроллера); · согласование источника информации ( выполняется устройством-источником или контроллером); · согласование приемника информации ( выполняется устройством-приемником или контроллером). Функции контроллера может выпол нять не только одно, но и несколь ко устройств в системе. Основные функции интерфейса, которые необходимо реализовать для обесп ечения информационной совместимости, определяются функ циональной ор ганизацией интерфейса. На канал управления возложены функции селекции информационного канала, синхронизации обмена ин формацией, координаци и взаимодействия, а на информационный' канал возлагаются функции буферн ого хранения информации, преобразования формы представления информаци и и др. Селекция, или арбитраж, информационного канала обеспечивает одно значн ость выполнения процессов взаимодействия сопрягаемых элементов систе мы. Анализ возможных вариантов реализации способов селекции уст ройств на информационной магистрали позволяет выделить следующие операции селе кции: инициирование запроса, выделение приоритетного запроса, идентифи кация запроса. Инициирование запроса включает в себя процедуры выдач и, хране ния и восприятия запроса на организацию процесса взаимодействи я. Сиг налы запроса могут храниться в регистре управляющего блока (радиа ль ная структура шины запроса) или на отдельных триггерах каждого интер фейсного блока (магистральная структура шины запроса). Функция выделения приоритетного запроса осуществляется на основе анал иза сигналов занятости информационного канала, разрешения прио ритетн ого прерывания, запроса источника сообщения и зависит от числа уровней п риоритета. Идентификация запроса заключается в определении адреса приори тетног о источника запроса. В машинных интерфейсах получаемая при запросе адре сная информация называется вектором прерывания. Послед ний обозначает начальный адрес программы обслуживания прерывания от данного устройст ва. Функция синхронизации определяет временное согласование процес сов в заимодействия между функциональными устройствами системы. Функция координации определяет совокупность процедур по орга низации и контролю процессов взаимодействия устройств системы. Ос новными опер ациями координации являются настройка на взаимодей ствие, контроль вза имодействия, передача функций управления (на стройки) . В момент обращения одного устройства к вызываемому последнее может нах одиться в состоянии взаимодействия или в нерабочем состоя нии. Поэтому процессы взаимодействия элементов системы могут иметь два уровня конф ликтных ситуаций при доступе: к информационному каналу интерфейса и к ус тройству системы. Таким образом, операция настройки включает процедуры опроса и анализа состояния вызывае мого устройства, а также передачи ко манд и приема информации сос тояния. Последовательность операций настр ойки может быть различной и зависит от сложности алгоритмов работы функ циональных устройств системы. В большинстве случаев алгоритмы настрой ки дополняются про граммным способом посредством передачи кодов коман д и состояний по информационной шине. Операции контроля направлены на обеспечение надежности функцио ниров ания интерфейса и достоверности передаваемых данных. В процес сах асинх ронного взаимодействия возможно возникновение так называе мых тупико вых ситуаций, приводящих к искажениям кодовых комби наций передаваемых данных. Поэтому в операции контроля входят раз решение тупиковых ситуац ий асинхронного процесса взаимодействия и повышение достоверности пер едаваемых данных. Контроль тупиковых ситуаций взаимодействия основыва ется на измерении фиксированного интервала времени, в течение которого должно поступать ожидаемое асин хронное событие. Если за контролируемы й интервал времени событие не поступает, то фиксируется неисправность. О перация контроля тупико вых ситуаций получила название "тайм-аут". Контроль передаваемых данных основывается на использовании кодов, пос троенных на известных принципах избыточного кодирования инфор мации (ц иклические коды, код Хеминга, контроль кодов на четность и др.). В целях повышения надежности управления и эффективности исполь зовани я составных элементов системы необходима передача функции координации между функциональными устройствами. Эта операция пере дачи управления характерна для интерфейсов с децентрализованной струк турой управлен ия. Повышение надежности достигается резервированием управления (при откл ючении питания или отказе интерфейсного модуля, выполняю щего функции у правления интерфейсом). Повышение эффективности использования оборудования системы достигае тся исключением дублирования дорогостоящих устройств путем доступа к ним с разделением времени двух и более контроллеров и ЭВМ. Информационный канал интерфейса предназначен для реализации функции о бмена и преобразования информации. Основными процедурами функции обмена является прием и выдача информац ии (данных, состояния, команд, адресов) регистрами состав ных устройств си стемы. Основные процедуры функции преобразования следующие: преобразо вание последовательного кода в параллельный и наоборот; перекодирован ие информации; дешифрация команд, адресов; логические действия над содер жимым регистра состояния. Приборные интерфейсы Проектирование ИИС выполняется на основе модульного принципа построения, что привело к необходимости р азработки правил, регламен тирующих основные требования к совместимос ти этих блоков. Данный принцип впервые был применен в области ядерно-хим ических измерений, где требуется сложная аппаратура с высокой степенью автоматизации и активным использованием ЭВМ для контроля, управления, с бора и пер вичной обработки данных. Поэтому именно в этой области впервы е про ведена стандартизация на правила сопряжения блоков. В США для модулей (блоков) ядерной электроники с транзистор ными схемами в 1966 г. был принят стандарт NIM ( Nuclear Instrument Module ). В нем устан овлены механические и электрические требования к блокам. Этот стандарт впоследствии получил распространение в странах Западной Европы. Указа нный стандарт позволил осуществить обмен дан ными модульных блоков с ЭВ М. Следует отметить, что такие понятия, как канал передачи данных и интерф ейс, процесс обмена данными и др., были перенесены из вычислительной в изм ерительную технику. Реализация принципов программного управления работой ИИС при вела к ра звитию приборных систем; разработки интерфейсов для них появились на ру беже 60 - 70-х годов. Приборные интерфейсы служат для компоновки различных ко мплексов из стандартных измерительных приборов, устройств ввода-вывод а и управляющих устройств. Пример, фирма " Philips " разработала систему сопряжения Partyline - System , предназначен ную для объединения в ИИС до 15 приборов. С помощью стандартного кабеля при боры последовательно соединяются друг с дру гом (в произвольном порядке ) и с ЭВМ. Для этого в каждом приборе имеются два разъема, соединенные межд у собой одноименными контак тами. Каждый прибор содержит специальное ус тройство согласования из мерительного оборудования с интерфейсом. Построение интерфейса осуществляется по магистральному принци пу для передачи цифровых сигналов. Информация передается по шести шинам: адрес ной (4 линии), измерительной (5 линий), управления (4 линии), а также по шинам син хронизации, диагностики операций и пере дачи команд печати (все по одной линии). Стандартный кабель содержит шесть соединительных линий. Каждому прибору (измерительному блоку) присваивается свой адрес, представленны й четырьмя разрядами двоичного кода. Передача данных производится в пар аллельно-последовательном ви де (в двоичном коде). Под действием управля ющих сигналов выходная информация последовательно передается с декад на линии интерфейса (измерительную шину). По этим же линиям передается ко дированная информация, а также полярность измеряемых величин, режим раб оты и др. Принцип работы приборного интерфейса следующий . При появлении информации от источника к приемнику работа о боих приборов координи руется сигналами по линиям шины синхронизации. П ри этом цикл переда чи 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 следу ющие ограничения: число прибо ров не более 15, максимальная допустимая дли на кабеля связи — 20 м, максимальная скорость передачи по магистрали - 1 Мба йт/с. Логические уровни сигналов выбраны из расчета применения интег ральны х схем ТТЛ (высокий уровень — не менее 2,4 В, низкий — не более 0,8 В). Нагрузкой каждой сигнальной линии является внутреннее сопро тивление каждого пр ибора 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 м агистрали, ведется по байтам. Схемы интерфейса программно-управляемых п риборов выполняют ся в двух вариантах: в виде схем, реализованных и конструктивно оформленных внутри прибора к ак его составная часть, с установкой стандартного разъема на задней пане ли прибора; этот вариант применяется преимущественно в новых приборах, в ыпускаемых по стандарту МЭК; в виде отдельно выполненных интерфейсных модулей, подключаемых к серий но выпускаемым или находящимся в обращении цифровым при борам и устройс твам; эти модули по существу являются адаптерами, т. е. переходными устрой ствами между выходом прибора и стандартным входом в магистраль приборн ого интерфейса. Приборный интерфейс широко применяется как в отечественной промышл енности, так и зарубежными фирмами при построении ИИС для автоматизации эксперимента. Из имеющихся непрограммируемых приборов, не подготовлен ных для совместной работы, приборный интер фейс позволяет создавать ИС путем использования относительно неслож ных устройств сопряжения — и нтерфейсных плат и микроЭВМ в качестве контроллера системы. Машинные интерфейсы Машинные (или системные) интерфейсы предназначены для объеди нения сост авных блоков ЭВМ в единую систему. Тенденция развития машинных интерфей сов вызвана необходимостью значительного увели чения процента операц ий ввода-вывода, номенклатуры и числа перифе рийных устройств. В связи с э тим существенно возросли требова ния к унификации и стандартизации инт ерфейсов. Характерной особенностью машинных интерфейсов является необ ходимост ь их функционирования в нескольких режимах взаимодействия, влияющих на функциональный состав систем шин. Основными режима ми взаимодействия я вляются ввод-вывод по программному каналу и по каналу прямого доступа в память. Заключение Повышение производительности т руда человека – это заслуга механизации. Уже долгое время она облегчает задачи человека, но не может полностью освободить его от ручного труда и ли присутствия на рабочем месте. Такие вещи, как оценка результатов конт роля и решения вопроса о дальнейшей судьбе проверенной детали - забрако вать ее или отправить на доработку, были только в компетенции человека, ч то требовало затрат умственного труда и относятся к сфере управления пр оизводством. Очевидно, эти функции тоже можно упразднить, заменив челове ка механизмами способными самостоятельно решать данные проблемы. Пере ложение функций управления процессом с человека на автоматические уст ройства стало началом нового времени – эры автоматизации. Стремительное развитие электроники и вычислительной техники оказалос ь предпосылкой для широкой автоматизации самых разнообразных процессо в в промышленности, в научных исследованиях, в быту. Вершиной автоматиза ции стало появление автоматизированных измерительных и диагностическ их комплексов, которые позволили полностью заменить человека, как важно го элемента любого производственного или научно-исследовательского пр оцесса. Опираясь на возможности таких систем и комплексов, человечество поднялось на еще одну ступень в бесконечном стремлении взойти на вершин у 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 с редств автоматизации / Под ред. Г. И. Кавалерова. - М.: ЦНИИТЭИ приборостроен ия, средства автоматизации и систем управления,1981. 4. Хазанов Б. И. Интерфейсы измерительных систем. - М.: Энергия, 1979. 5. Алиев Т. М., Тер-Хачатуров А.А. Измеритель ная техника: Учебное пособие для техн. вузов. - М.: Высш. шк.,1991.