Особливості будови агрегатованих засобів вимірювань і автоматизації на базі стандартних інтерфейсів

При побудові агрегатованих ЗВА в більшості використовують блочно-модульний принцип, коли окремі програмно-керовані прилади - модулі можуть об‘єднуватись через загальну магістраль (канал загального користування) у функціонально потрібному сполучені. Як правило, кожний автономний прилад може використовуватись й автономно. Тобто в цьому випадку з‘являється можливість із обмеженої кількості розрізнених, але маючих сумісність “кубиків” побудувати велику кількість різних за функціональними можливостям “будов”. Зараз набули розповсюдження декілька стандартів для агрегатування приладів.

Найширше розповсюдження отримав стандарт КАМАК (скорочено від англійських слів Computer Application to Masurement and Control) застосування ЕОМ для вимірювання та керування і стандарт МЕК 625.1 Міжнародної електротехнічної комісії (аналог ГОСТ 26.003-80).

У стандарті КАМАК, який передбачає функціонально-модульну побудову, регламентовано механічні конструкції, роз‘єми, напругу живлення, параметри вхідних і вихідних сигналів, призначення електричних каналів зв‘язку та порядок обміну вимірювальною інформацією. Змінні вимірювальні блоки (модулі) розміщують у загальному каркасі, який називається крейтом. Розмір крейда - 482, 5*221, 5=106873.75. . Крейти об‘єднуються в стійки, сукупність яких разом з ЕОМ утворює ВОК. У кожний крейт може бути розміщено 25 модулів шириною 17, 2 і висотою 221 мм, при цьому 2 модулі використовуються для з‘єднання з програмно-керуючим пристроєм (контролером), а 23 є модулями вводу-виводу вимірювальної інформації.

Кожний модуль за допомогою 86 плоских контактів вставляється в роз’єм, який розміщений на задній панелі крейта, і через цей роз‘ємз‘єднюється з кабельною системою крейта. Канали передачі даних підключаються в магістраль інтерфейсу, яка проходить через усі функціональні модулі і зв‘язує їх з блоками керування та контролером. У магістралі розділені шини передачі даних, команд і адресів. Вона забезпечує швидкість обміну до 1 млн. посилок / хв.

Система КАМАК пристосована для інтенсивних потоків інформації й може функціонувати тільки у лабораторних умовах: пластинчатий 86-контактний роз‘єм швидко виходить із ладу під час транспортування. Крім цього, як правило при вирішуванні нових вимірювальних завдань модулі треба утворювати знову, проте для традиційних задач є і серійно випущені модулі. Усе це обмежує область застосування системи КАМАК в її сучасному конструктивному оформлені лабораторними дослідженнями, які проводяться в науково-дослідних установах.

Міжнародний стандарт МЭК 625.1 дає можливість утворювати різні ВОК по приладо-модульним принципом. Основою для агрегатування програмнокерованих приладів-модулів, кожний із яких може функціонувати й автономно, і в складі ВОК, у стандарті МЭК 625.1, як і в системі КАМАК, є наявність стандартного інтерфейсу. Він складається із сукупності електричних, механічних та програмних засобів для з‘єднання між собою об‘єкта вимірювання з потрібними приладами-модулями, вимірювальними перетворювачами, ЕОМ.

Іноді під інтерфейсом розуміють тільки канал (шину) загального користування, але це помилкове поняття. Сама шина не дозволить керувати елементами ВОК, якщо в складі кожного із приладів-модулів не буде встроєногоінтерфейсного модуля або кожному приладу-модулю не буде надано адаптуючого пристрою, за допомогою якого прилад-модуль може бути підключений до стандартної шини. Сполучення каналу загального користування (КЗК), встроєних у прилади-модулі інтерфейсних функцій, а також визначених програм керування приладами-модулями (а в потрібних випадках і об‘єктом вимірювання), порядку обміну інформацією і утворює інтерфейс. Звідси випливає, що потрібно прагнути до єдиного стан-дартного інтерфейсу від розробки приладів-модулів з урахуванням конструктивів цього інтерфейсу. У противному випадку під час агрегатування приладів-модулів в ВОК потрібно буде створювати адаптерні пристрої, що суттєво ускладнює і удорожчує ВОК, позбавляє їх переваг, які забезпечується застосуванням серійних приладів-модулів.

Зараз зарубіжні фірми, які будують автоматизовані РВП, використовують стандарт МЭК 625.1 для забезпечення можливості їх використання у ВОК. У нашій країні також випускають автоматизовані РВП, які мають встроєніінтерфейсні модулі у відповідно до ГОСТ 26.003-80.

Автоматизована вимірювальна система у цьому випадку може бути представлена у вигляді згідно з рис.1.

Рис.1

Об‘єднання засобів вимірювання та засобів обчислювальної техніки в агрегатовану автоматизовану вимірювальну систему за допомогою приладного інтерфейсу типу МЭК 625.1 (ГОСТ 26.003-80)

Склад каналу загального користування

Рис. 2

До КЗК підключаються об‘єкт вимірювання, набір вимірювальних приладів-модулів, міні-ЕОМ або контролер й інші допоміжні пристрої (друкуючі). При розробці програми роботи ВОК визначають та задають порядок комутації вимірювальних кіл в об‘єкті вимірювання і приладах-модулях, маршрути сигналів керування, синхронізації та вимірювальних даних й інше.

Команди керування, синхронізації і даних передаються по спеціально виділених лініях КЗК. За допомогою контролера джерела запитувальної інформації черговість обслуговування, адресати передачі та прийому повідомлень встановлюються таким чином, щоб усі прилади-модулі та об‘єкт вимірювання діяли як єдина система.

Особливо великі можливості створення ВОК відкриваються при використанні автоматизованих приладів модулів зі встроєними мікропроцесорами. У таких приладах і в інтерфейсі забезпечується єдиний, побайтний обмін інформацією. Як правило, в одному мікропроцесорі одночасно вдається сумістити функції програмного керування приладом й інтерфейсні функції.

Магістраль інтерфейсу складається із 16 ліній (рис.2.): по 8 із них проводиться асинхронна передача та прийом інформації послідовно байтами, 3 лінії відведені для передачі сигналів синхронізації (сигнали готовності, сигнали-квитанції супроводу вимірювальної інформації), 5 ліній призначені для передачі сигналів керування інтерфейсом (початок передачі, кінець передачі, запит на обслуговування і т.д.).

Магістраль інтерфейсу являє собою гнучкий кабель, на кожному кінці якого є один двосторонній роз‘єм, що забезпечує установку одного роз‘єму на інший. Максимальна довжина магістралі - 20 м. До неї можу бути підключено 15 різних приладів і керуючих пристроїв. Якщо потрібно подовжити магістраль або збільшити число приладів, то за допомогою так званого термінального блоку магістраль може бути подовжена ще на 20 м.

Інтерфейс МЕК 625.1 надає користувачу практично однакові можливості в порівнянні з КАМАК, але полегшує створення ВОК, так як виключається необхідність застосування спеціальних конструкцій крейтів і вставних функціональних блоків. При цьому область застосування ВОК визначається тільки можливостями приладів-модулів, що серійно виготовляються. Які пристосовані, як правило, до роботи не тільки в лабораторних, але й у досить жорстких умовах.

На відміну від розглянутих раніше засобів вимірювання - приладів широкого застосування, вимірювальні системи, як правило, є вузькоспеціальні. Це означає, що вони призначені для використання з об‘єктами визначеного виду з конкретним набором вимірювальнних параметрів, меж та похибок вимірювання. Тільки в тому випадку й в умовах масового вимірювання забезпечується висока економічна ефективність вимірювальних систем. Потрібне споживачам число кожного конкретного виду таких систем невелике, тому їх промислове виробництво не доцільне. В основу створення вимірювальних систем різного призначення покладений принцип агрегатування. Він грунтується на побудові систем на основі виготовлених промисловістю приладів, функціональних пристроїв та вузлів, які призначені як для саміостійної роботи, так і для сумісного використання.

ВИМІРЮВАЛЬНІ СИСТЕМИ призначені для автоматизації процесу вимірювання, починаючи від прийому від декількох вимірювальних приладів або ряду джерел електричних сигналів, вимірювання параметрів цих сигналів і закінчуючи обробкою результатів вимірювань та реєстрацією отриманих даних у вигляді, зручному для подальшого використання. Такі системи значно скорочують час і підвищують достовірність вимірювань.

Вимірювальні системи часто називають системами збору й обробки даних. Вони характеризуються числом вхідних каналів, швидкістю обробки даних, вимірювальними величинами, похибкою вимірювання, видом обробки, способом керування і формою представлення одержаних даних.

Системи виконують вимірювання напруг постійного та змінного струмів, постійного струму, опору, частоти та періоду електричних сигналів, інтервалів часу, а з використанням зовнішніх датчиків і неелектричних величин (температури, тиску, маси).

Узагальнена структурна схема вимірювальної системи зображена на рис. 3.

Рис. 3.

Розглянемо призначення ланок. Зовнішні перетворювачі, які не входять у склад системи, перетворюють неелектричні величини в електричні сигнали, параметри яких вимірюються системою.

Комутуючий пристрій приймає аналогові електричні сигнали від декількох джерел сигналів і передає їх послідовно на ЗВ. Вхідні комутуючі пристрої характеризуються числом вхідних і вихідних каналів, швидкодією, перехідним опором, його нестабільністю та наявністю термо-ЕДС, вхідним опором, смугою пропускання, надійністю. Похибка, яка вноситься комутатором, повинна бути на порядок нижча від похибки використовуваних приладів. Застосовуються механічні, електромеханічні та електронні комутуючі пристрої. Сучасні вимоги по швидкодії та надійності забезпечують тільки електронні комутатори. Широке застосування знаходять діодні та тріодні ключові схеми, особливо ключові схеми на МОП-транзисторах, які дозволяють утворювати високошвидкістні комутатори з великим динамічним діапазоном комутуючих сигналів.

Як вимірювальні прилади застосовують цифрові частотоміри, вимірювачі часових інтервалів та вольтметри. Останні виконують функції АЦП щодо вхідних сигналів.

Пристрій обробки виконує потрібну математичну обробку інформації, яка надходить з радіовимірювальних приладів.

Реєструючий пристрій записує одержані дані у вигляді коду. До реєструючих пристроїв відносяться також аналогові самописці та електронні осцилографи. Як реєструючі пристрої в системах застосовують різні друкуючі пристрої(телетайпи, принтери).

Керуючий пристрій забезпечує режим роботи приладів і системи у цілому згідно із заданою програмою. У системах із складним алгоритмом функціонування та великим обсягом вимірювальної інформації роботою і обробкою даних керує мікро-ЦВМ.

Наведемо приклад однієї з простих і широко розповсюджених вимірювальних систем. Основним вимірювальним пристроєм системи є цифровий вольтметр. За допомогою багатофункціонального комутатора на його вхід почергово надходять для вимірювання напруги з досліджуваних об‘єктів. Число каналів може бути великим, наприклад, декілька сотень. Реєструючий пристрій того або іншого виду служить для представлення або зберігання інформації про номер каналу та результату вимірювання. Керуючий пристрій забезпечує потрібну послідовність операцій, які виконуються пристроями, які входять у систему. Параметри цих пристроїв вибираються відповідно до технічних вимог вимірювальної системи. Метрологічні характеристики системи визначаються, в основному, вольтметром. Так цифровий вольтметр типу В7-34, який призначений для використання у вимірювальних системах, дозволяє вимірювати постійну напругу 0, 1...1000 В, середнє квадратичне значення синусоїдальної напруги в діапазоні частот 20 Гц... 500 кГц та миттєве значення напруги 1... 100 В, опір постійному струму 0, 1.... 10000 кОм, відношення постійної напруги до середнєквадратичного значення синусоїдальної напруги в межах вимірювання 0, 1... 1000 В. Похибка вимірювання постійної напруги +- [ 0, 02 + 0, 01 (0, 1 / Ux - 1%).

7.1.3. Вимоги до агрегатованих засобів вимірювальних систем

Сукупність агрегатованих засобів ВОС повинна задовольняти вимоги функціональної, структурної та параметричної повноти.

Об‘єднані в ВОС, агрегатовані засоби повинні мати властивості сумісності: функціональної, інформаційної, енергетичної, експлуатаційної, надійносної, конструктивної та метрологічної.

ФУНКЦІОНАЛЬНА СУМІСНІСТЬ - властивість агрегатованого засобу, яка забезпечує узгоджувальність виконуваних функцій. Вона досягається функціональною закінченістю й відповідністю АЗ набору функцій та їх сполучень, які предбачені призначенням комплексу.

ІНФОРМАЦІЙНА СУМІСНІСТЬ - властивість агрегатованого засобу, яка гарантує узгоджувальність вхідних та вихідних сигналів. Вона забезпечується єдністю форми надання даних на входах і виходах спряжених пристроїв та єдністю алгоритмів обміну даними між спряженими пристроями.

У ряді випадків окремо виділяють ЕЛЕКТРИЧНУ СУМІСНІСТЬ технічних засобів ВОС, яка забезпечується єдністю електричних параметрів сигналів та кіл на входах і виходах пристроїв.

Інформаційна та електрична сумісність досягається застосуванням єдиного інтерфейсу й встановленням стандартних шин між спряженими засобами.

ЕНЕРГЕТИЧНА СУМІСНІСТЬ - властивість спряжених засобів, яка забезпечує узгоджувальність їх вимог до параметрів джерел первинного та вторинного електроживлення, а також до трас енергоживлення. Вона досягається уніфікацією параметрів енергоживлення, схем, конструкцій та технічних характеристик джерел і трас енергоживлення.

ЕКСПЛУАТАЦІЙНА СУМІСНІСТЬ - властивість агрегатованого засобу, яка забезпечує узгоджувальність експлуатаційних характеристик, які визначають стійкість властивостей засобу до впливу зовнішних факторів. Вона досягається єдністю визначення й нормуванням зовнішніх впливових факторів, уніфікацією та правильним встановленням експлуатаційнних норм для спряжених засобів.

Для агрегатованих засобів вводять також поняття надійностної сумісності, властивості, яка забезпечує узгодженість характеристик надійності спряжених пристроїв і можливість розрахунку за цими характеристиками надійності системи, що утворюється.

МЕТРОЛОГІЧНА СУМІСНІСТЬ - властивість агрегатованого засобу, яка забезпечує узгоджувальність їх метрологічних характеристик, а також заданий або розрахунковий рівень метрологічних характеристик системи, що дозволить оцінити якість (точність) отриманої інформації й забезпечити достовірність інформації, яка отримується під час різних експериментів і на різних об‘єктах. Метрологічна сумісність досягається раціональним вибором метрологічних характеристик та єдністю методів їх нормування - встановленням єдиного складу нормованих метрологічних характеристик; встановленням єдиних форм представлення й способів нормування метрологічних характеристик; встановленням єдиних методів оцінки й контролю МХ; узгодженням числових значень параметрів вхідних та вихідних кіл спряжених засобів.

7.2. Загальні відомості про інтерфейси

7.2.1. Класифікація і види інтерфейсів

Розширення кола вимірювальних задач, підвищення якості й ефективності вимірювань може бути досягнуте шляхом об‘єднання засобів вимірювання в систему.

Можливі два основних підходи до організації взаємодії системних елементів і побудови матеріальних зв‘язків між ними.

Перший підхід - це жорстка уніфікація та стандартизація вхідних і вихідних кіл функціональних елементів різних типів, які утворюють систему. Другий - це використання спеціальних модулів спряження, які мають розширені характеристики.

Якщо використовувати для побудови вимірювальні системи, які знаходяться зараз в експлуатації (з різними рівними уніфікації), то доцільно використовувати другий спосіб.

Але перспективним є поєднання першого підходу, який побудований на використані стандартних засобів спряження з другим.

Приладні інтерфейси, які використовуються для цих цілей, мають великий рівень незалежності від ЕОМ і вирішують задачу поєднання в систему модулів, які можуть працювати автономно.

В основу приладного інтерфейсу покладений принцип програмування функціонування приладу. Цей принцип передбачає наявність органів, які забезпечують автономне керування і можливість дистанційного змінювання режимів роботи та характеристик приладу.

Таким чином, однією із основних умов, яка забезпечувала б створення складних вимірювальних систем, є наявність стандартного інтерфейсу.

Під інтерфейсом, у загальному випадку, розуміють сукупність електричних, механічних і програмних засобів, які дозволяють з‘єднувати між собою елементи автоматичної системи обробки даних.

Інтерфейс визначає умови логічної сумісності засобів, які входять в систему: формат чисел, що передаються, спосіб кодування сигналів, номенклатуру сигналів і команд, алгоритм обміну інформацією, а також умови електричної та конструктивної сумісності. Ознаки класифікації й загальні вимоги до приладних інтерфейсів визначені ГОСТ 26.016-81.

За способом з‘єднання засобів вимірювання і автоматизації компонентів системи - інтерфейси поділяються на магістральні, радіальні, ланцюгові й змішані (рис.1а - г).