Структурные схемы ИИС и их элементы

Структуры ИИС можно классифицировать по различным признакам.
До сих пор под ИС подразумевали всю совокупность измерительных приборов и устройств, необходимых для проведения измерений. При этом к понятию ”система” были отнесены как одиночный прибор, так и сложная измерительная установка. До сих пор не рассматривалась конфигурация (архитектура) и структура ИС. На рисунке 2.1 приведена внутренняя структура ИС.

Рисунок 2.1- Обобщённая внутренняя структура ИС

В тех случаях, когда измеряемая величина не является активной, необходимо воспользоваться источником возбуждения, который будет оказывать воздействие на измеряемый объект. Тогда отклик объекта (вместе с самим воздействием) будет содержать желаемую информацию.

а) б)
а- Р_i – мощность на входе; Р_а – мощность на выходе; Р_п – мощность потерь
б- Р_с – мощность сигнала; Р_и – мощность вспомогательного источника
Рисунок 2.2 – Пассивный (а) и активный (б) датчики первичной информации

На рисунке 2.3 приведена обобщённая структурная схема ИИС.
ИИС содержит следующие устройства:

Пассивные датчики получения первичной информации не потребляют энергию от вспомогательного источника энергии (см. рисунок 2.2,а). Активными являются датчики, которым требуются сторонний источник энергии (см. рисунок 2.2,б). Мощность, которую отдаёт объект измерения (ОИ), практически равна нулю.

- устройства измерения, включающие в себя первичные и вторичные измерительные преобразователи и собственно измерительное устройство, выполняющее операции сравнения с мерой, квантование, кодирование, а в отдельных случаях и коммутатор;

- устройство обработки измерительной информации, выполняющее обработку измерительной информации по определённому алгоритму (сокращение избыточности, математические операции, модуляция и т.п.);

- устройство хранения информации;

- устройство представления информации в виде регистраторов и индикаторов;

- устройство управления, служащее для организации взаимодействия всех узлов ИИС;

- устройство воздействия на объект, включающее в себя генераторы стимулирующих воздействий.

Рисунок 2.3 – Структурная схема ИИС

Информация от ИИС может поступать в ЭВМ или выдаваться оператору. Оператор или ЭВМ могут воздействовать на устройство управления ИИС, меняя соответственно программу её работы. В ряде ИИС некоторые устройства и связи могут отсутствовать. При наличии в составе ИИС компьютера PCI (ISA) или другой микро-ЭВМ информация к ним может поступать непосредственно от устройств обработки или (и) хранения.
Современные ИИС представляют в виде блок-схем связанных между собой функциональных блоков (ФБ) (см. рисунок 2.4).

Функциональными блоками являются:

- первичные преобразователи (ПП), размещённые постоянно в определённых точках пространства или сканирующие (перемещающиеся в пространстве);

- множество аналоговых преобразователей: нормирующие преобразователи аналоговых сигналов (масштабные преобразователи, преобразователи различного вида модуляции сигнала), унифицирующие преобразователи (приведение сигналов к диапазону стандартных значений или к согласованному уровню), коммутаторы аналоговых сигналов, аналоговые вычислительные устройства, устройства памяти, сравнения, аналоговые измерительные приборы (показывающие и регистрирующие);

- множество аналого-цифровых преобразователей (АЦП);

- цифровые устройства – формирователи кодоимпульсных сигналов, коммутаторы, универсальные цифровые вычислительные устройства (микропроцессоры, микро-ЭВМ), накопители информации, устройства вывода, отображения и регистрации информации, цифровые индикаторы и панели;

- цифроаналоговые преобразователи (ЦАП).

Рисунок 2.4 – Функциональная схема ИИС

Функциональные блоки (ФБ) могут соединяться между собой по разному.

Наиболее часто в качестве признака классификации выбирают способ обмена сигналами взаимодействия, т.е. сигналами, которые обеспечивают согласованное преобразование информации всеми функциональными узлами системы.

Структура ИИС зависит также от принятого в системе способа управления – централизованного или децентрализованного (см. рисунок 2.5, 2.6).

Рисунок 2. 5 – Функциональная схема централизованной ИИС

Если множеству всех алгоритмических подсистем соответствует одна техническая подсистема, то имеем централизованную структуру (см. рисунок 2.5). В ней все алгоритмы управления реализуются на одних и тех же технических средствах. Централизованные структуры имеют преимущества: высокая эффективность использования технических средств; возможность объединения всех функциональных задач на одном и том же техническом комплексе; меньшие аппаратурные затраты для обеспечения требуемой надёжности.

Рисунок 2.6 – Децентрализованная структура ИИС

Децентрализованная структура со связанными подсистемами показана на рисунке 2.6. Это – структура, подобная первой, но с наличием связей между техническими подсистемами. По этим связям передаётся осведомительная информация и с их помощью можно более эффективно использовать оборудование. Подсистемы здесь равноправны, т.е. ни одна из них не может управлять другой. В таких структурах один уровень иерархии управления. В таких системах усложняются процессы отладки и модернизации, однако появляется возможность более эффективно использовать ресурсы технических средств. В то же время, как и в предыдущей структуре, управление отдельными задачами в процессе функционирования системы (с целью повышения эффективности управления в целом) здесь невозможно.

а) б)

Рисунок 2.7 – Цепочечная (а) и радиальная (б) структура системы соединения функциональных узлов ФУ_i

Объединение ФБ в одноступенчатой структуре можно выполнить в виде цепочной (каскадной) структуры (см. рисунок 2.7,а.).

Все сигналы передаются по индивидуальным для каждого узла шинам, а сами функциональные узлы выполняют заранее заданную операцию над информационным сигналом. Такие системы содержат, например, ряд первичных преобразователей ПП (трансформаторы тока, напряжения, делители напряжения, преобразователи сопротивление – напряжение или ток), циклический коммутатор, посредством которого периодически каждый первичный ПП подключается к ИИС; ряд последовательно включённых с ними групповых нормирующих ИПР, предназначенных для фильтрации, масштабного преобразования и линеаризации выходных сигналов первичных ПП; аналого-цифровой ИП; специализированное устройство обработки информации и регистратор.

Структуры систем с централизованным управлением разнообразнее, к ним относятся структуры радиальная, магистральная, радиально – цепочечная и радиально – магистральная. Радиальная структура показана на рисунке 2.7,б. Обмен сигналами взаимодействия между функциональными блоками (узлами ФУ) происходит через контроллер. Это позволяет программировать ФУ путём подачи программных сигналов от контроллера, изменять порядок обработки информации и т.д. В данной структуре каждый функциональный узел подключается к контроллеру посредством индивидуальных шин. Однако наращивать число ФУ трудно из-за усложнения контроллера.

Магистральная структура показана на рисунке 2.8.

Рисунок 2.8 – Магистральная структура системы

В этой структуре имеется общая для всех ФУ специальная шина – магистраль (однопроводная или многопроводная), по которой передаются сигналы взаимодействия. Адресный сигнал показывает, к какому ФУ относится информация, находящаяся на других проводах магистрали. Магистральная структура легко позволяет наращивать число ФУ в системе.

Обобщённая структура ИИС показана на рисунке 2.9.

Рисунок 2.9 – Обобщённая структура ИИС

Информация от объекта исследования поступает на определённое множество первичных ИП (ПИП), преобразуется в электрическую форму и передаётся на средства измерения и преобразования информации СИПИ, в которых выходные сигналы ПИП наиболее часто подвергаются следующим операциям: фильтрации, масштабированию, аналого-цифровому преобразованию. Затем сигналы в цифровой форме (см. рисунок 2.10) передаются на цифровые средства обработки и хранения информации СОХИ для обработки по определённым программам или накапливания, а также на средства отображения информации СОИ для индикации или регистрации. Устройство формирования управляющих воздействий УФУВ посредством заданного множества исполнительных устройств ИУ воздействует на объект исследования для регулирования, тестирования и т.д.

а) б)

Рисунок 2.10 – Передача данных в форме параллельных – 1 канал (а) и последовательных- 8 каналов (б) битов

Важной разновидностью ИИС являются измерительно-вычислительные комплексы (ИВК) – функционально объединённая совокупность средств измерений, компьюторов и вспомогательных устройств, предназначенная для выполнения конкретной измерительной задачи. Основными признаками принадлежности СИ к ИВК являются: наличие (микро) процессора или компьютера; программное управление средствами измерений; наличие нормированных метрологических характеристик; блочно-модульная структура, состоящая из технической (аппаратной) и программной (алгоритмической) подсистем.

Техническая подсистема должна содержать: СИ электрических и неэлектрических величин (измерительные компоненты); средства вычислительной техники (вычислительные компоненты), меры текущего времени и интервалов времени; средства ввода-вывода аналоговых и цифровых сигналов с нормированными метрологическими характеристиками.

В программную подсистему ИВК входят системное и общее прикладное программное обеспечение (ПО), в совокупности образующие математическое обеспечение системы. Системное ПО представляет собой совокупность программного обеспечения компьютера и дополнительных программных средств, позволяющих работать в аналоговом режиме, управлять измерительными компонентами, обмениваться информацией внутри подсистем комплекса, проводить диагностику технического состояния. Программное обеспечение представляет собой взаимодополняющую, взаимодействующую совокупность подпрограмм, реализующих:

- типовые алгоритмы эффективного представления и обработки измерительной информации, планирования эксперимента и других измерительных процедур;

- архивирование данных измерений;

- метрологические функции (поверка, аттестация, характеристики погрешностей).

По назначению ИВК делятся на типовые, проблемные и специализированные. Типовые комплексы предназначены для решения широкого круга типовых задач автоматизации измерений, испытаний или исследований независимо от области применения. На рисунке 2.11 приведена структурная схема типовой ИВК. Основными составными частями комплекса являются:

- компьютер ISA (PCI) с периферийными устройствами, подключёнными к нему, в том числе посредством компьюторной сети;

- измерительные каналы (ИК), предназначенные для преобразования в цифровой код заданного числа сигналов;

- программное обеспечение;

- интерфейс, организующий связь технических устройств ИВК с компьютером;

- формирователь испытательных сигналов, которыми воздействуют на объект измерения с целью получения измерительных сигналов (например, i-й сигнал вырабатывается с помощью последовательно соединённых ЦАП _i и преобразователя напряжение – испытательный сигнал ПНИС_i).

Структура ИВК содержит аналоговый измерительный (АИП) и аналого-цифровой (АЦП) преобразователи. При обработке нескольких измерительных сигналов одним АЦП в состав комплекса включается коммутатор, предназначенный для поочерёдного подключения сигналов к входу АЦП. Коммутатор может включаться как после АИП (ИК1), так и перед ним (ИК N).

АИП предназначен для преобразования измерительного сигнала в сигнал, однородный с входным сигналом АЦП (т.е. в напряжение), масштабирования (ослабления или усиления) его до уровня, необходимого для проведения операции аналого–цифрового преобразования с минимальной погрешностью. При наличии нескольких измерительных сигналов (К-сигналов в ИК1) АИП состоит из К независимых последовательно соединённых первичных преобразователей и управляемых компьютором масштабируемых усилителей. Если же измерительные сигналы являются однородными физическими величинами и могут быть поочерёдно выбраны (скоммутированы), то в ИВК целесообразно установить один АИП (ИК N). Он последовательно во времени проводит преобразование измерительного сигнала и его масштабирование.

К – для первого ИК и l – N -го ИК
Рисунок 2.11 – Структурная схема ИВК

АЦП преобразует сигнал в цифровой код и передаёт его через интерфейс в компьютор. Работой всей аппаратной части ИВК управляет компьютер посредством:

- подачи управляющих сигналов различного рода;

- считывания и передачи по требуемым адресам цифровой информации (сигналы ДАННЫЕ и АДРЕС). Под АДРЕСОМ понимается уникальный цифровой код, присвоенный конкретному ФБ или его части и позволяющий компьютеру однозначно идентифицировать данное устройство.

На рисунке 2.12 приведена небольшая часть распределённой измерительной системы.

Шина IEEE-488 была разработана фирмой Hewlett-Packard и была названа HPIB (Hewlett-Packard Interface Bus). Она известна также как GPIB (General Purpose Interface Bus). В дальнейшем эта шина была принята в Европе Международной электротехнической комиссией в качестве стандарта IEC 625.1 (МЭК 621.1). В последствии она была принята американским институтом инженеров по электротехнике и электронике в качестве стандарта IEEE-488. Эта шина служит гибким интерфейсом между измерительными приборами, компьютерами и периферией.

Рисунок 2.12 - Фрагмент схемы распределённой измерительной системы

Рисунок 2.13 – Структурная схема приборного интерфейса

Интерфейс – система сопряжения между составляющими частями (подсистемами) системы обработки данных, включающая в себя аппаратные средства, линии связи (шины), протокол (совокупность правил, устанавливающий единые принципы взаимодействия подсистем) и программное обеспечение процесса обмена информацией.

Шина является средством связи коллективного пользования: все устройства, включённые в систему, подключаются к шине параллельно. Поэтому шина, состоящая из 16 проводов или линий, подведена к каждому из участников. Шина разработана для программируемых и непрограммируемых электронных устройств. Она ориентирован на сопряжение устройств, расположенных относительно друг друга на расстоянии 20 м и может обслуживать до 15 физических блоков, допускает прямой обмен информации между ними, дистанционное и местное управление устройствами. Данный интерфейс относится к магистральным, соединение устройств между собой осуществляется через многопроводной магистральный канал общего пользования (КОП), называемый также интерфейсной шиной. КОП содержит 16 линий, по которым в цифровом виде передаются информационные данные и управляющие сигналы. Эти линии объединены в три шины: шина данных, шина согласования передачи данных (синхронизации), шина общего управления ИФ. Способ передачи информации параллельно – последовательный с асинхронным режимом обмена. В измерительной системе осуществляется обмен информацией между источником и приёмником под управлением контроллера. Каждый из входящих в систему устройств выполняет функции или источника информации, или приёмника, или контроллера, или любого их сочетания. Взаимосвязь устройств через систему шин показана на рисунке 2.13 применительно к четырём типам устройств, объединяемых в измерительную систему: А – устройство, способное передавать и управлять (например, микро-ЭВМ); В – устройство, способное передавать и принимать (например, цифровой прибор); С – устройство, способное только принимать (например, считывающее устройство); D – устройство, способное только передавать (например, измерительный генератор сигналов).

Шина данных (Data bus) состоит их 8-ми линий, обозначаемых D10 (Data input/output) с соответствующим номером линии (русское обозначение линии данных – ЛД). По этим линиям осуществляется обмен информацией бит – параллельным, байт последовательным способами. Шина данных служит для передачи (приёма) основных данных – результатов измерений, адресных, программных управляющих данных и данных состояний. Обмен информации может происходить между устройствами – источниками и приёмниками информации. Назначение управляющего устройства – контроллера – организация взаимодействия модулей системы.

Шина согласования передачи – шина синхронизации, объединяет три линии: DAV (Data valid) или СД (сопряжения данных); NRED (Not data for data) или ГП (готов к приёму); NDAC (Not data accepted) или ДП (данные приняты). По этим линиям передаются сигналы согласования, подтверждающие соответствие состояний приборов, что необходимо для обмена информацией.

Шина общего управления (General interface management bus attention) состоит из 5-ти линий. По ним передаются управляющие сигналы, которые циркулируют между контроллером и другими устройствами, подключённые к интерфейсу.

Линия ATN (Attention - внимание) или УП (управление) отведена для команды, посылаемой контроллером.

Линия IFC (Interface clear – очистка интерфейса) или ОИ (очистить интерфейс) передаёт сигнал контроллера, приводящий схему и все устройства в начальное состояние.

Линия SRQ (Service request – запрос на обслуживание) или ЗО – является общей для системы.

Линия REN (Remote enable – разрешено дистанционное управление) или ДУ – передача контроллером сигналов программного управления устройствами.

Линия EOI (End of identify – конец обработки, конец идентификации) или КП (конец передачи), служит для посылки команды, указывающей окончание передачи сообщений по шине данных.