Глава 14

ПРИМЕНЕНИЕ ЦИФРОВОЙ ВЫЧИСЛИТЕЛЬНОЙ ТЕХНИКИ В СРЕДСТВАХ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ИЗМЕРЕНИЙ

§ 14.1. Общие сведения

При выполнении технологических измерений в ряде случаев воз­никает необходимость проведения различных вычислительных операций, связанных с определением значений измеряемых величин и погрешностей измерений. Кроме того, для рациональной организа­ции процесса автоматического контроля технологических парамет­ров требуется выполнение различных логических операций.

Эти задачи решаются с помощью средств вычислительной тех­ники— вычислительных устройств.

Вычислительные устройства принято подразделять на устройст­ва непрерывного (аналоговые) и дискретного (цифровые) действия. В аналоговых вычислительных устройствах значения величин, над которыми осуществляются математические операции, изменяют­ся непрерывно. Они изображаются в определенном масштабе в виде других физических величин, например напряжения, тока, давления сжатого воздуха и т. д. Результат выполнения математических опе­раций в аналоговых устройствах получается сразу после ввода ис­ходных данных.

Аналоговые вычислительные устройства отличаются простотой и сравнительно небольшой стоимостью. Их недостаток — ограничен­ная точность вычислений (погрешность не менее ±0,1—0,5%).

В цифровых вычислительных устройствах значения величин, над которыми осуществляются математические операции, представля­ются в виде набора цифр. Каждая цифра, соответствующая опреде­ленному разряду числа, устанавливается на отдельном цифровом элементе: триггере, счетном колесе и др.

Все вычислительные операции в цифровых вычислительных уст­ройствах сводятся к арифметическому сложению и выполняются в течение некоторого промежутка времени.

В процессе выполнения математической операции значения ис­ходных данных не изменяются. Новые выходные данные вводятся в цифровое вычислительное устройство лишь спустя некоторое вре­мя, необходимое для выполнения вычислений при прежних данных. Таким образом, цифровые вычислительные устройства работают прерывно во времени (дискретно).

Цифровые вычислительные устройства отличаются практически неограниченной точностью, большими логическими возможностями и значительным быстродействием.

Аналоговые вычислительные устройства уже давно и широко применяются в средствах технологических измерений для обработ­ки сигналов измерительной информации. Однако из-за ограничен­ной точности их применение оказывается целесообразным только при реализации относительно простых алгоритмов.

В настоящее время обработка информации, в том числе и изме­рительной, все больше базируется на цифровых вычислительных устройствах.

Можно выделить два вида цифровых вычислительных устройств, включаемых в средства измерений: устройства с жесткой програм­мой обработки информации и устройства с изменяемой программой обработки информации.

Первые из названных устройств имеют жесткую структуру, кото­рая определяется принятой программой обработки информации, составленной в соответствии с реализуемыми функциями. Любое изменение реализуемой функции требует изменения структуры вы­числительного устройства. Эти цифровые вычислительные устрой­ства, как и аналоговые, имеют узкую специализацию.

От этого недостатка свободны цифровые вычислительные уст­ройства с изменяемой программой обработки информации, позво­ляющие решать любые вычислительные задачи. Эти устройства представляют собой цифровые электронные вычислительные маши­ны—ЭВМ, миниЭВМ, микроЭВМ, микропроцессоры (МП).

В измерительных приборах, преобразователях и системах, ис­пользуемых для технологических измерений, находят применение микроЭВМ и микропроцессоры. Технической базой этих устройств являются большие и сверхбольшие интегральные схемы (БИС и СБИС), содержащие 103—106 элементов на одном кристалле.

Наиболее существенным достижением микроэлектроники и вы­числительной техники в последнее время является создание на ос­нове БИС микропроцессоров.

Первая микропроцессорная БИС была создана за рубежом в 1971 г. и сразу привлекла к себе внимание специалистов-разработ­чиков средств вычислительной техники и цифровой автоматики перспективами широкого применения, обеспечиваемыми возможно­стью ее программного управления. Появление микропроцессоров расценивается в настоящее время экспертами в области электрони­ки и вычислительной техники как революционное явление, соизме­римое по своей значимости с появлением в 50-х годах первых полу­проводниковых элементов и устройств.

Микропроцессор — функционально законченное, управляемое хранимой в памяти программой (большей частью малоразрядное) устройство обработки цифровой информации, выполненное в виде одной или нескольких БИС или СБИС. Это устройство называют микропроцессором, так как оно по своим обычным функциям и структуре напоминает упрощенный вариант процессора обычных

ЭВМ. Миниатюрность, малая масса и малое потребление энергии открыли возможность включения микропроцессора непосредствен­но в электронную схему измерительных устройств, средств автоматического регулирования и управления. Микропроцессор намного дешевле, более экономичен в работе и надежен, чем процессоры, построенные на интегральных схемах малого и среднего уровня интеграции. В силу того что основой микропроцессора является БИС или СБИС с программируемой логикой, он заменил собой многие типы интегральных схем с жесткой, фиксированной логи­кой. Изменением программы микропроцессора достигается возмож­ность решения с его помощью множества разнообразных задач.

Микропроцессор используется обычно в составе микропроцессор­ного комплекта (набора), представляющего собой совокупность специально разработанных отдельных микропроцессорных и дру­гих интегральных схем, которые совместимы по своим конструктивно-технологическим данным и могут быть собраны в единое целое. В состав комплетка входят интегральные схемы: микропроцессора, запоминающих устройств, ввода—вывода информации, микропро­граммного управления и др.

Микропроцессорные комплекты предназначены для построения цифровых управляющих вычислительных устройств с широкими функциональными возможностями и единым математическим обес­печением, таких, как микропроцессорные системы, микроЭВМ, мик­роконтроллеры и др.

Микропроцессорная система — это собранная в единое целое совокупность взаимодействующих интегральных схем микропроцес­сорного комплекта, организованная в работающую систему, т. е. вычислительная или управляющая система с микропроцессором в качестве узла обработки информации.

МикроЭВМ — это конструктивно законченное вычислительное устройство, построенное на основе микропроцессорного комплекта интегральных схем в отдельном корпусе и имеющее источник питания, пульт управления, узлы ввода—вывода информации, что по­зволяет использовать его в качестве автономного независимо рабо­тающего устройства со своим программным обеспечением. МикроЭВМ строят по структуре более простой, чем обычные ЭВМ. Основу этой весьма гибкой структуры, называемой магистрально-модульной (рис. 14.1), составляет общая магистраль (общая шина), к которой подсоединяются в требуемой номенклатуре и количестве все устройства машины, выполненные в виде конструктивно закон­ченных модулей, связанных друг с другом с помощью интерфейсов.

Интерфейс (от англ. inteface — взаимосвязь) представляет со­бой совокупность линий и шин сигналов, электронных схем и алгоритмов, предназначенную для осуществления обмена информацией между устройствами цифровой вычислительной техники.