Раздел 2. Аппаратные и программные средства автоматизации эксперимента интерфейсы в компьютерных системах измерения и управления
Компьютерная система измерения и управления (КСИУ) может быть представлена в виде рис. 24.
Рис. 24
Укрупненно структура КСИУ может быть представлена в виде рис 25.
Рис. 25
Основными видами технических средств сопряжения компьютера с объектом управления (аппаратуры УСО3) являются:
Технические средства ввода/вывода аналоговых сигналов (аналоговые мультиплексоры и демультиплексоры, усилители с программно устанавливаемым коэффициентом передачи, АЦП, ЦАП).
Технические средства ввода/вывода дискретных сигналов (цифровые мультиплексоры и демультиплексоры, цифровые регистры ввода/вывода, счетчики импульсов).
Технические средства временной синхронизации (генераторы импульсов, цифровые часы, таймеры).
Контроллеры исполнительных устройств (реле, электродвигателей, шаговых двигателей).
Каждое из упомянутых устройств в автоматизированном комплексе должно управляться по программе от компьютера. Управление может заключаться в инициализации каких-либо функций (например, функции запуска АЦП), передаче данных от компьютера функциональному элементу аппаратуры (ФЭ) или от ФЭ компьютеру. Во всех случаях взаимодействие компьютера с ФЭ (усилителем, АЦП, ЦАП и др.) происходит в форме передачи информационных посылок в цифровой форме. Обмен данными между компьютером (или, в общем случае, источником программ) и ФЭ реализуется с помощью средств системного сопряжения (интерфейса).
Интерфейс - это совокупность аппаратных и программных средств информационного сопряжения источника программ (компьютера, микроконтроллера) с функциональным элементом аппаратуры.
Основными аппаратными элементами интерфейса являются: контроллер интерфейса (КИ) и интерфейсная карта (ИК) (см. рис. 25).
Технические характеристики автоматизированной системы измерения и управления существенно зависят от технических характеристик интерфейса. Основными техническими показателями качества интерфейса являются:
Пропускная способность (Определяет максимально возможную скорость передачи информации с учетом затрат времени на адресацию, установление связи).
Вместимость. (Определяет максимальное количество адресуемых устройств (регистров ФЭ), которые могут быть подключены к линиям интерфейса).
Максимальная протяженность линий интерфейса.
Технические показатели качества интерфейса существенно зависят от характеристик структурной организации интерфейса, таких как:
Структура информационных связей (каскадная, радиальная, магистральная).
Способ передачи информации (параллельный, параллельно-последовательный, последовательный).
Принцип обмена информацией во времени (синхронный, асинхронный).
Режим обмена (с двусторонней одновременной, с двусторонней поочередной, с односторонней передачей информации).
На рис. 26 приведены основные структуры информационных связей, в табл. 9 – сравнительные характеристики показателей качества интерфейсов.
Рис. 26
Табл. 9
Вид структурной организации |
Пропускная способность |
Вместимость |
Максимальная протяженность линий |
Надежность |
Экономичес-кий показатель (1/затраты) |
Каскадная |
Н |
В |
В |
Н |
В |
Радиальная |
С |
С |
С |
В |
Н |
Магистральная |
В |
Н |
Н |
С |
С |
В – высокая, С- средняя, Н – низкая
Стандартные интерфейсы компьютерных систем измерения и управления.
При построении КСИУ наибольшее применение находят следующие виды интерфейсов:
Системные интерфейсы ЭВМ (Машинные интерфейсы);
Системные интерфейсы периферийных комплексов (Внемашинные интерфейсы);
Малые интерфейсы ЭВМ;
Сетевые интерфейсы.
Системные интерфейсы ЭВМ (такие как ISA, PCI для IBM PC, UNIBUS для DEC) предназначены для подключения контроллеров системных устройств ЭВМ (контроллера НМД, принтера, видеокарты, сетевой карты). К системной шине могут быть подключены также и устройства пользователя, в частности модули измерения и управления DAQ boards. Используются при создании локальных КСИУ, содержащих относительно небольшое количество устройств для измерения и управления.
Системные интерфейсы периферийных комплексов (VXI, VME, GPIB, CAMAC) предназначены для агрегатирования периферийных устройств ЭВМ (таких, например, как модули измерения и управления) в единый комплекс, управляемый от контроллера. Контроллер, в свою очередь, может управляться от ЭВМ. Используются при создания сложных значительно пространственно распределенных КСИУ.
Малые интерфейсы ЭВМ (RS232C, Centronics, RS485, USB). Предназначены для подключения основных устройств ЭВМ (принтера, сканера), находящихся на среднем удалении (от1 до 500м) от ЭВМ. Интерфейсы RS232, RS485 используются при создании систем промышленной автоматизации, особенно в случае значительной пространственной протяженности объекта управления, неблагоприятных условиях эксплуатации (повышенная влажность, агрессивная среда) и/или при значительном уровне помех. Интерфейсы USB, Centronics используются при создании локальных КСИУ, т.е. при малой удаленности аппаратуры УСО от компьютера, и при малом количестве адресуемых устройств.
Сетевой интерфейс Ethernet используется для создания систем измерения и управления с сетевым доступом.
Описания основных интерфейсов ПК приведены в [10], основ выбора и практической реализации ряда внемашинных интерфейсов – в [11], основ проектирования средств сопряжения датчиков и устройств ввода данных с ПК – в [12,13], описание общих принципов построения и элементов цифровых систем измерения и управления в [15].
Технические показатели качества наиболее часто используемых интерфейсов: ISA, PCI, CAMAC, HP-IB (GPIB), RS-48, USB.
Табл. 10
Характеристика |
Интерфейс |
|||||
ISA |
PCI |
CAMAC |
HP-IB |
RS-485 |
USB |
|
Пропускная способность, Мб/сек |
1,5
|
264 |
0,3 |
0,1 |
0,1 Мбит/с |
12-480* Мбит/с |
Вместимость |
1-5 |
1-5 |
1200 |
15 |
256*8 |
1 |
Максимальная протяженность линий, м |
1,5 |
<1 |
32000 |
20 |
1200/2000 |
25 (при использ. дополнит. хабов |
*FS – 12 Мбит/с; HS – 480 Мбит/с (только для USB 2.0)
Принципы выбора вида интерфейса.
При выборе интерфейса для создания автоматизированной системы измерения и управления необходимо учитывать следующие факторы:
Необходимую скорость выполнения операций управления аппаратурой и передачи данных.
Территориальную распределенность объекта автоматизации.
Количество приборов и устройств, объединяемых в автоматизированную систему.
Наличие или отсутствие приборов и устройств для измерения и управления требуемого функционального назначения со встроенными интерфейсными узлами.
Для сопряжения компьютера с объектом управления может быть использована имеющаяся в готовом виде аппаратура со встроенными интерфейсными узлами:
Plug-in Data Acquisition Boards (DAQ boards) с интерфейсами PCI, ISA - встраиваемые в компьютер платы сбора данных и управления. DAQ boards содержат, как правило, аналоговый мультиплексор на 4 - 64 канала, усилитель с программно устанавливаемым дискретно, в диапазоне от 1 до 1000, коэффициентом усиления, быстродействующий 12-разрядный АЦП с памятью на 16 - 512 слов, одно-, двухканальный ЦАП с памятью до 2 Кслов, 32 - 48-разрядный таймер. В компьютер может быть установлено до 5 модулей DAQ boards;
Signal Condition eXtended Instrumentation (SCXI) - выносные модули расширения системной магистрали компьютера, для подключения измерительной аппаратуры. Модули SCXI представляют собой блочные каркасы с источниками питания, позволяющие устанавливать несколько (4 или 12) плат ввода/вывода (усилителей, нормирующих преобразователей, фильтров, прецизионных АЦП и ЦАП). Системное сопряжение модуля SCXI с компьютером производится через DAQ board или интерфейс Bitronics (модифицированный для передачи данных в двух направлениях Centronics).
Рис. 27
Приборы со встроенными интерфейсными узлами GPIB (General Purpose Interface Bus) Комплекс аппаратуры на базе интерфейса GPIB может иметь линейную протяженность до 25 м и содержать до 15 многофункциональных приборов.
Аппаратура магистрально-модульных систем на основе стандартов VXI, CAMAC. Комплекс на базе аппаратуры САМАС может иметь линейную протяженность до 32 км и содержать более 1200 адресуемых приборов.
Рис. 28
Data Acquisition Modules (Field Points, ICP CON, ADAM) - выносные модули измерения и управления (АЦП, ЦАП, модули цифрового ввода/вывода, счетчики, модули управления реле и т. д.), сопрягаемые с компьютером с помощью последовательного интерфейса RS-485. Характерными особенности модулей являются автономное питание от батареи или аккумулятора, гальваническая развязка с компьютером, конструктивное исполнение в герметичном корпусе, позволяющее использовать модули в системах промышленной автоматизации. Комплекс, построенный на базе модулей, может иметь линейную протяженность до 1200 м и содержать до 256 модулей в каждой ветви.
Рис. 29
Аппаратура PXI. Комплекс представляет собой блочный каркас с источником питания и шиной PCI. В блочный каркас устанавливается компьютер Pentium и функциональные модули для измерения и управления.
Рис. 30
Аппаратура с интерфейсом USB.
Рис. 31
Аппаратура Compact RIO (Reconfigurable Embedded Control and Acquisition System). Комплекс представляет собой миниатюрный блочный каркас с источником питания и шиной PCI. В блочный каркас устанавливается контроллер Pentium 200 МГц, DRAM 64Мб, Compact Flash 512 Мб и функциональные модули ввода/вывода аналоговых и цифровых сигналов. Контроллер может сопрягаться с компьютером для загрузки программы и обмена данными с помощью интерфейсов Ethernet и RS232.
Рис. 32
Предлагаемая на мировом рынке аппаратура (Hardware) и программные средства (Software), позволяют реализовать автоматизированные системы измерения и управления с использованием практически любых компьютеров: IBM PC/AT, IBM PS2, Notebook Computers, Macintosh, Sun Spark Station, HP Apollo, IBM Risk System, DEC Turbo, DEC VAX Station.
Ниже на рис. 33-35 приведены примеры специализированных компьютеров для сложных условий эксплуатации.
Рис. 33. Портативный компьютер
Рис. 34. Защищенный ноутбук
Портативные компьютеры А-серии. Предназначены для использования в особо тяжелых условиях эксплуатации: приложения военного/оборонного назначения, вредное производство, мобильные объекты, плохие климатические условия. Металлический корпус этих компьютеров выполнен с применением магниевых сплавов для обеспечения прочности и минимизации веса (5,45кг.) и имеет обрезиненные углы с круговой прокладкой, что обеспечивает герметичность корпуса. В корпусе также реализована технология «тепловая труба» для внутреннего охлаждения. Модели А-серии соответствуют военным стандартам, поэтому устойчивы к ударам и падениям с высоты до 1 метра. По желанию пользователя оснащаются экраном Touch-Screen и/или LCDпанелью Sun-light Readable (обеспечивают хорошую видимость в условиях яркого солнечного света). В отличие от многих современных ноутбуков, компьютеры этой серии могут снабжаться модулем расширения, в которую можно установить плату сбора данных и управления с интерфейсами ISA или PCI.
.
Рис. 35. Портативный ноутбук А-серии
Контрольные вопросы и задачи
Что нужно учитывать при выборе интерфейса для компьютерной системы измерения и управления?
Какие виды интерфейсов наиболее широко применяются при создании компьютерных систем измерения и управления?
Какие показатели относят к показателям качества интерфейсов?