3.9. Интерфейсы
Устройство сопряжения компьютера со средствами измерений или любыми другими внешними системами называют интерфейсом.
Содержание и объем интерфейса зависят от структуры автоматизированной системы, различают стандартные интерфейсы для отдельных структур систем. Существует ряд типовых структур интерфейса для автоматических средств измерений и контроля, имеющих в своем составе микро-ЭВМ или МП (рис.25).
а)
б
)
в)
г
)
Рис.25. Структурные схемы интерфейса в измерительной системе: а - каскадная; б - радиальная; в - магистральная; г - каскадно-радиальная;, где ФБ - функциональный блок; ИР - интерфейс радиальный, ИМ - интерфейс магистральный; ИК - интерфейс каскадный; УСИ М-К - устройство согласования интерфейсов ИМ и ИК.
В простых измерительных приборах все ФБ, как правило, образуют каскадные соединения, характеризующиеся тем, что информационный поток проходит последовательно через все блоки, такой интерфейс получил название каскадного (ИК) (рис.25,а).
Так как к микропроцессору или процессору микро-ЭВМ можно подключать несколько ФБ, то организация сопряжения основывается либо на пространственном (радиальном) распределении каналов обмена информацией (рис.25,б), либо на временном разделении каналов (рис.25,в). Интерфейс для первого варианта сопряжения получил название радиального (ИР), для второго - магистрального (ИМ).
При магистральном способе соединения может быть несколько общих магистралей, каждая из которых несет определенный вид информации.
Кроме основных способов сопряжения ФБ в автоматических средствах измерений существуют смешанные виды взаимосвязи: например, каскадно-радиальная или каскадно-магистральная схемы и др.
Рис.26. Структурная схема радиально-магистрального интерфейса, где ПП1, ПП2 - процессоры соответственно подсистем 1 и 2; ОМ1, ОМ2 - общие магистрали соответственно подсистем 1 и 2.
Для построения разветвленных, многоуровневых систем контроля широкое распространение получила радиально-магистральная организация интерфейса (рис.26).
Различают три вида совместимости ФБ: информационная, энергетическая и конструктивная.
Информационная совместимость определяет информационные взаимосвязи функциональных блоков, для чего используются следующие сигналы:
- информационные;
- управляющие;
- программные;
- адресные;
- специальные.
Требования стандарта на обеспечение информационной совместимости ФБ, подразделяются на логические, электрические и конструктивные.
Логические требования определяют: вид и количество сигналов, систему кодирования, пространственно-временную диаграмму сигналов, название и действия сигналов.
Электрические требования включают значения уровней сигналов; коэффициенты нагрузки по входу и выходу; допустимое расстояние для передачи сигналов; время установления сигналов и т.д.
Конструктивные требования указывают: тип соединительных элементов, схему соединений информационных шин; размещение соединительных элементов в функциональном блоке, вид электрических соединений между функциональными блоками.
Энергетическая совместимость определяет виды источников питания функциональных блоков, распределение отдельных соединительных элементов в соответствии с питающими напряжениями.
Конструктивная совместимость определяет все материальные условия, необходимые для соединения функциональных блоков друг с другом и (или) с системой.
Три основные группы сигналов: данных, адреса и управления.
Адресные сигналы определяют устройства системы, вступающие в процесс взаимодействия.
Сигналы управления идентифицируют функции, выполняемые взаимодействующими устройствами.
Под данными в общем случае понимается вся информация, которая передается по системному каналу обмена магистрали и подлежит обработке, запоминанию и регистрации.
Основной принцип, заложенный в системе КАМАК, — принцип использования центральной ЭВМ, направление протоколов команд и информации жестко связано.
В системе модули адресуются контроллером по индивидуальным адресным линиям, Обмен информацией выполняется в синхронном режиме.
Основной недостаток системы КАМАК — большая аппаратурная избыточность и наличие сложной системной части практически в каждом модуле, большая стоимость интерфейса и всей системы в целом.
3.10 УСТРОЙСТВА КОММУТАЦИИ.
Основное назначение коммутаторов - образование между блоками соединений, обеспечивающих прохождение сигналов в заданных направлениях. Коммутаторы с нормируемыми метрологическими характеристиками получили название измерительных коммутаторов.
Измерительные коммутаторы характеризуются следующими параметрами:
- динамическим диапазоном коммутируемых величин;
- погрешностью коэффициента передачи аналогового сигнала: по точности подразделяются на низкоточные (с погрешностью >1,0%), средней точности ( =1,0...0,5%) и высокоточные ( <0,05%);
- быстродействием или скоростью коммутации, оцениваемым количеством переключений в секунду (коммутаторы циклического действия) или временем, необходимым для выполнения одной коммутационной операции: с низким быстродействием (время переключения Tп >0,1мс), со средним быстродействием (0,1мс< Tп <1,0мкс) и быстродействующими (Tп <0,1мкс);
- числом коммутируемых сигналов-входов n, числом выходов h и числом одновременно образуемых каналов k: по числу коммутируемых каналов подразделяются на малоканальные (n < 10), среднеканальные (100> n >10) и многоканальные (n >100);
- количеством коммутирующих измерительных N и управляющих M элементов коммутатора;
- сроком службы.
Коммутаторы различаются по реализации циклический и адресный режимы. При циклическом режиме коммутация производится по заранее установленной программе с заданной коммутационной функцией. При адресной работе коммутатора последовательность переключения заранее, как правило, не определяется.
В зависимости от типа используемых в коммутаторе коммутационных элементов различаются контактные и бесконтактные коммутаторы.
Механические коммутаторы управляются от специального привода и имеют различные типы контактов и отличаются низким переходным сопротивлением контактов в замкнутом состоянии и высоким сопротивлением в разомкнутом. Их применение позволяет осуществлять только последовательный опрос каналов.
Более гибкими в функциональном отношении являются электромеханические коммутаторы, где в качестве ключей используют магнитоуправляемые контакты - герконы. По характеристикам герконы приближаются к идеальным переключателям. Они имеют малое и стабильное контактное сопротивление в замкнутом состоянии, большое сопротивление в разомкнутом состоянии, но обладают низким быстродействием. Кроме того, герконы имеют высокий уровень наводимых помех.
Очень большой срок службы имеют ртутные контакты. Быстродействие их относительно небольшое.
Контактные коммутационные элементы применяются преимущественно для коммутации параметрических датчиков и малых по уровню токов и напряжений при относительно небольших скоростях коммутации.
Для построения бесконтактных коммутаторов используются элементы, у которых под воздействием внешнего управляющего сигнала скачкообразно изменяется сопротивление. Они имеют большой срок службы, высокое быстродействие, требуют малой мощности управления, но у них относительно небольшой коммутационный коэффициент, меньший динамический диапазон. Кроме того, при их использовании необходимо принимать меры к разделению информационных и управляющих цепей.
Наибольшее применение бесконтактных коммутационных элементов нашли полупроводниковые транзисторы и диоды.
Основная область применения электронных коммутационных элементов - коммутация с высокими скоростями относительно больших напряжений и токов.