Микропроцессорные подсистемы сбора, измерения и обработки данных

Другой разновидностью нового поколения средств являются микропроцессорные подсистемы сбора, измерения и обработки данных. Такие подсистемы могут выполнять функции многоканального измерения параметров, запоминания и обработки данных, контроля и управления объектами. Причем подсистема может работать как в автономном, так и в комплексном режимах совместно с ЭВМ. Особенностью микропроцессорных подсистем является работа программам, записанным в постоянное или оперативное ЗУ, которые при этом могут оперативно заполняться.

В связи с большим, по сравнению с логгерами, объемом ПЗУ и ОЗУ рассматриваемые устройства имеют расширенные логические и вычислительные возможности, высокую производительность вычислительных операций. Их программирование происходит на языке высокого уровня. Особенностью таких систем являются расширенные вычислительные мощности, отсутствие жесткой проблемной ориентации на конкретные задачи, большая универсальность, выполнение в виде стандартных плат с интерфейсными разъемами, позволяющими их устанавливать, например, в слот ПЭВМ. Используются микропроцессорные подсистемы как интеллектуальные терминалы нижнего уровня в информационных системах или как автономные устройства многоканального измерения и управления при определенном наборе внешних устройств. Пример таких устройств - микропроцессорная измерительная система MAC500, которая включает 3 унифицированных модуля, включающих в себя 4 канала подготовки и ввода данных, 14-разрядный АЦП, ОЗУ на 64 Кбайт с аварийным батарейным питанием, ПЗУ - 96 Кбайт, 8-канальный цифровой интерфейс. В состав системы входят два стандартных интерфейса RS-232C, RS-422. Модули могут быть использованы в различном сочетании, обеспечивая несколько сотен аналоговых и цифровых входов, обеспечивая частоту дискретизации до100000 выборок на канал. Смежные модули предусматривают ввод информации с различных датчиков с аналоговым и релейным выходом. Измерительная часть включает в себя предварительные усилители, фильтры устройства линеаризации характеристик, схемы компенсации. УСО имеют высокую надежность (время наработки на отказ 200000 часов), имеют гальваническую развязку, обеспечивая напряжение изоляции более 4000 вольт. Многие в соответствии с сертификатом качества ISO 9001 обеспечивают работу при температурах от–40 до+85 , устойчивость к вибрациям до 5g и ударам до 20g.

3.5. Мультимикропроцессорные подсистемы сбора, измерения и обработки сигналов

При проведении физических экспериментов часто выходной сигнал с первичных измерительных преобразователей (датчиков) представляют собой смесь исходного сигнала с шумом, причем уровень исходного сигнала может быть ниже уровня шума. Для исключения шумовой составляющей обычно производится предварительная обработка-фильтрация и т.д. Выполнение такого рода операций в значительной степени загружает процессор, что снижает общее быстродействие системы. Для того, чтобы исключить участие центрального процессора в операциях по фильтрации или статистической обработке, используют многопроцессорные структуры, обеспечивающие разделение операций по вводу и преобразованию аналоговой информации, а также ее предварительной обработке (ниже на рисунке).

Структурная схема 4-х процессорной системы состоит из схемы обработки запросов по приоритетам, центрального процессора, системного ЗУ, системной шины и нескольких локальных микропроцессорных систем, каждая из которых содержит интерфейсный блок, ОЗУ, подсистему сбора данных, ПЗУ, таймер, интерфейс, периферийный микропроцессор, локальную шину. Каждая локальная микропроцессорная система может располагаться на отдельной плате. Ввод информации с АЦП осуществляется на локальную шину периферийного микропроцессорного устройства. В такого рода системах важным является правильное распределение функций между периферийным устройством и центральным процессором, который должен быть максимально разгружен. Для повышения быстродействия в качестве периферийных процессоров могут быть использованы периферийные микропроцессоры сигналов ("сигнальные процессоры").

3.6. Быстродействующие подсистемы измерения, обработки и регистрации данных

Важным направлением современной измерительной техники является совершенствование средств динамических измерений, предназначенных для исследования переменных величин, связанных с быстродействующими подсистемами однократным быстро протекающими случайными процессами. В практике широко применяется методы, основанные на введении в структуру быстродействующего регистрирующего прибора масштабно-временного преобразования – МВП, позволяющего значительно повысить частотные свойства узлов обработки. При этом происходит мультипликативное преобразование спектра входного сигнала ограниченной продолжительности. Обобщенная структурная схема регистратора с МВП представлена ниже на рисунке.

Наличие в регистраторе масштабно-временного преобразования и заложенного устройства цифровых эквивалентов мгновенных значений позволяет обеспечить режимы задержанной развертки, коммутируемой развертки, предзапуска. Режим задержанной развертки позволяет вводить задержку между моментами запуска и начала процесса регистрации, что дает возможность установить требуемую начальную точку кривой сигнала. Возможен режим задержки до и после сигнала запуска. Регистрация сигнала в режиме коммутируемой развертки включает в себя запоминание после поступления сигнала запуска определенного числа дискретных выборок с начальной частотой дискретизации F1. Остальная часть записи осуществляется с частотой F2. Этот режим используется при регистрации сигналов с заранее известным характером изменения сигнала (например, сигнал реакции мозга на световые воздействия). Наличие ЗУ большой емкости позволяет осуществить режим предзапуска, при котором записывается предистория процесса. При этом прибор принимает новые данные и отбрасывает старые до момента запуска. Фирма Data laboratories выпускает системы регистрации, например, DL1298, которая представляет собой комплексную многоканальную систему регистрации, измерения и обработки формы сигналов с частотным спектром до 250 КГц. Система построена на базе 16 разрядной микроЭВМ НР9816/9836 фирмы Hewlett Packard, сдвоенного накопителя на гибких магнитных дисках, регистрирующего устройства DL1200. DL1200 - восьмиканальный высокоточный регистратор в модульном исполнении, имеет возможности сопряжения с ЭВМ через интерфейс IEEE-488. Регистраторы серии TR фирмы Le Croy (США) позволяет представить в цифровой форме сигнал частотой 1-200 МГц. Модули регистратора и памяти исполняются по стандарту КАМАК. Регистратор марки 7912 фирмы Textronix (США) обеспечивает частоту дискретизации 500 МГц. Отметим тенденции развития быстродействующих регистраторов. - широкое использование в структуре прибора микропроцессоров или микроЭВМ, значительно повышающих автоматизацию процессов преобразования и регистрации. - совершенствование динамических характеристик на основе применения быстородействующих АЦП и повышения качества работы следящих систем (например, самописца) - создание многоканальных регистраторов по блочно-модульному принципу и в приборном исполнении ( с встроенным самописцем следящего уравновешивания, имеющим унифицированные интерфейсы).

3.7. Универсальные микрокомпьютерные системы (микроИВК)

При многоканальных измерениях и при необходимости частой настройки и градуировки измерительных цепей, особенно при высоких точностях необходимо применение универсальных микрокомпьютерных систем микро-ЭВМ и персональных ЭВМ с соответствующими периферийными устройствами. Возможный вариант измерительной системы (микроИВК) на основе ПК. представлен ниже на рисунке.

ПК позволяет автоматически контролировать параметры системы, производить регулировку, градуировку и компенсацию погрешности измерений. При решении конкретных задач общая конфигурация системы может быть изменена. Применение системы в состав которой входит ПК обеспечивает следующие преимущества:

1. Упрощение измерительных процедур, повышение точности путем записи параметров и характеристик измерительных преобразователей в ЗУ. ПК производит периодический контроль параметров измерительных блоков, осуществляет коррекцию систематических составляющих погрешностей.

2. Обеспечение процесса обработки результатов измерений по стандартным алгоритмам цифровой обработки: проведение корреляционного и спектрального анализа, цифровой фильтрации, усредненных результатов и др.

3. Стандартизация процесса предоставления результатов измерения на принтере, графическом дисплее и т.д. При этом может быть осуществлен вывод вспомогательных сведений об условиях проведения эксперимента. Большое распространение нашли децентрализованные системы измерений, производящие сбор информации, поступающей от удаленных на значительное расстояние периферийных датчиков, АЦП. Основной задачей таких систем является оценка значений параметров, характеристик качества продукции, статистическая обработка данных. Типичным и достаточно широко применяемым в России в сложных специализированных системах контроля и управления являются промышленные контроллеры и встраиваемые компьютеры для тяжелых условий эксплуатации фирмы Octagon Systems (США). Система представляет собой концепцию MicroPC, обеспечивающую конструктивно совместимые с IBM PC платы, что позволяет использовать их как в виде автоматической измерительной и управляющей системы, так и устанавливать их в персональный компьютер без каких либо аппаратных или программных ограничений. Продукты фирмы соответствуют сертификату качества ISO 9001.