Проэктирование.Вопросы+книга / 43

Для контроллера промежуточного уровня системной иерархии устройство управления выполняет функции согласования контроллера с интерфейсом верхнего уровня. Устройство управления состоит из средств, реализующих физическое и логическое согласование с интерфейсом верхнего уровня. Их функциональное отличие от уровней 1-2 обусловлено тем, что контроллер ветви не наделен функциями контроллера по отношению к интерфейсу верхнего уровня.

Адаптеры

Адаптеры (А) обеспечивают согласование функциональных (операционных) частей ИВК с интерфейсом ветви, в которую они входят.

Адаптеры различаются: 1) по типам интерфейсов, согласование с которыми они обеспечивают; 2) по объему выполняемых интерфейсных функций; 3) по конструктивному исполнению.

Кроме основных, адаптер может выполнять ряд вспомогательных функций: 1) диагностика, 2) контроль передаваемой информации, 3) преобразование форматов данных.

Функциональная полнота адаптера определяется требованиями, исходящими из системных задач, решаемых с его помощью, а также характеристиками компонента ИВК, подключаемого через адаптер к интерфейсу ветви.

Такими характеристиками являются: 1) быстродействие, 2) объем передаваемой или принимаемой информации, 3) приоритетность этой информации в системе и т. д. Структура любого адаптера состоит из двух основных частей: 1) интерфейсной – непосредственно связанной с интерфейсом ветви, 2) приборной – связанной с входом (выходом) подключаемого устройства.

Эти части обмениваются внутренними (местными) сигналами. Конструктивно адаптеры выполняются: 1) в виде модулей, входящих в каркас и связанных с магистральным интерфейсом; 2) в виде узлов подключаемых устройств; 3) в виде сменных блоков, входящих в подключаемые устройства.

Важной является тенденция к расширению номенклатуры вспомогательных функций, выполняемых адаптерами. Такими функциями могут быть: 1) контроль сбоев в работе интерфейса, 2) отсчет времени, 3) диагностика и самодиагностика с локализацией неисправности, 4) контроль и исправление ошибок в принимаемой (передаваемой) информации, 5) буферирование информации, 6) преобразование данных в заданные форматы.

Глава 9. Субкомплексы

Всамом общем виде структура субкомплекса представлена на рис. 9.1.

Водном конструктиве (приборном блоке) субкомплекса размещаются группы средств получения, обработки и хранения, системного обмена, оперативнодиспетчерское оборудование (ОДО). Эти средства объединены по магистраль- но-модульному принципу, имеют общий источник сетевого электропитания и могут (благодаря наличию средств автономного управления и отображения информации, а также выходу на стандартный интерфейс) использоваться как в автономном режиме, так и в составе ИВК, ИИС и систем управления.

91

Рассмотрим возможные структуры измерительной части ГНП. На рис. 9.2 показана структура, содержащая по одному нормирующему преобразователю (НП) на каждую группу однотипных датчиков, первичный (К1) и вторичный (К2) коммутаторы и один АЦП.

Рис. 9.2. Структура измерительной части субкомплекса с одним НП на группу однотипных датчиков

Преимуществом такой структуры является ее простота, возможность контроля и коррекции измерительного тракта путем подключения источника образцовых сигналов (ИОС) к одному или нескольким контрольным каналам К1i. В том случае, когда используется всего один тип датчиков, исключается применение коммутатора К2.

Недостатком структуры рис. 9.2 является необходимость предъявления специальных требований к элементам К1 (по количеству коммутируемых линий, остаточным параметрам, качеству изоляции).

Другой вариант структуры, показанный на рис. 9.3, предусматривает установку НП в каждый измерительный канал. Достоинством такой структуры является возможность обеспечения высокой скорости опроса каналов.

Современная технология гибридных ИМС и микросборок позволяет выполнить группу из 8-16 однотипных НП для преобразования сигналов с термопар, термометров сопротивления, тензометров, тензодатчиков в приемлемых для ГНП габаритах.

93

Каждый МХ имеет необходимые средства для нормализации, коммутирования и аналого-цифрового преобразования. Такой модуль может быть использован также в любом другом КПИ при условии обеспечения совместимости по магистрали. В состав МХ может быть введена однокристальная микроЭВМ для выполнения функционального преобразования.

Субкомплексы с программируемой структурой

В общем виде объект испытаний, оснащенный при необходимости преобразователями неэлектрических величин в электрические и электрических величин в неэлектрические воздействия, представляет собой совокупность электрических входов и выходов.

Испытательная процедура заключается: 1) в выдаче на соответствующие входы заранее известной совокупности электрических воздействий, изменяющихся по известным законам; 2) в измерении на соответствующих выходах электрических величин; 3) в первичной обработке полученной информации, заключающейся в функциональных преобразованиях, коррекциях; 4) вычислении (при косвенных измерениях) совокупностей значений измеряемых величин; 5) вторичной обработке измерительной информации с целью получения обобщенных результатов испытательной процедуры и представления этих результатов в требуемой форме.

Комплексная испытательная процедура – это совокупность различных испытательных процедур, имеющая конечной целью получение всех необходимых сведений об объекте на данном этапе испытаний. В зависимости от количества входов и выходов объекта, скорости протекания процессов, объемов первичной измерительной информации, сложности вторичной обработки, характера и объемов представления результатов, выполнение комплексных испытательных процедур возможно на уровне автономных субкомплексов с программируемой структурой (СПС), на уровне ИВК, на уровне ИИС.

Рассмотрим выполнение испытательной процедуры во времени, по совокупности входов и выходов объекта. Работа однопроцессорного устройства происходит путем последовательного выполнения элементарных операций, синхронизированных с тактовой частотой задающего генератора. Следовательно, состояние шин магистралей изменяется через некоторые конечные промежутки времени.

Любая измерительная процедура занимает во времени определенный конечный интервал. Длительность такого интервала зависит как от скорости и количества операций, выполняемых на магистралях и внутри процессора, так и от скорости выполнения операций аналоговыми и цифровыми устройствами измерительной части. Ввиду того, что тактовая частота задающего генератора достаточно велика, время выполнения программ управления и обмена информацией, первичной обработки, иногда существенно меньше, чем время выполнения измерительных операций. Кроме того, сам алгоритм испытательной процедуры может допускать наличие некоторых временных задержек между отдельными действиями СПС (при медленно протекающих процессах).

95

Вэтих случаях можно условно говорить об одновременной работе устройств СПС и о выполнении испытательной процедуры в реальном масштабе времени.

Вдругих случаях скорость работы измерительной части и процессора соизмеримы, а ход испытательной процедуры требует получения или выдачи информации с максимальной возможной скоростью.

Для реализации такой работы необходимы два условия. Первое – это разделение времени выполнения процедуры на три этапа: подготовительный, основной и результирующий.

На подготовительном этапе осуществляется синтез структуры измерительных трактов СПС и подготовка всех его устройств к работе в режиме максимального быстродействия.

На основном этапе происходит измерение или выдача мгновенных значений сигнала, количество и темп выдачи которых определяются алгоритмом испытательной процедуры. На результирующем этапе производится первичная обработка массива полученных данных и передача результатов во внешнюю часть для вторичной обработки.

Вторым условием эффективной реализации возможностей СПС на основном этапе является организация в составе СПС таких аппаратных и программных средств, которые позволили бы максимально использовать их быстродействие. Например, путем организации прямой связи между цифровыми частями некоторых устройств и ОЗУ через канал прямого доступа. Возможен вариант с созданием модулей, имеющих буферные ОЗУ.

Рассмотрим режимы работы СПС по совокупности его входов и выходов. Распространенными являются три режима испытаний: 1) режим, когда требуется измерение одной или нескольких электрических величин на выходе (выходах) объекта; 2) режим, когда требуется выдача одной электрической величины на конкретный вход объекта (значения остальных входных величин при этом фиксированы), информация с выхода (выходов) объекта поступает в виде дискретных сигналов; 3) режим, когда требуется выдавать на конкретный вход объекта дискретный сигнал и измерять значения выходных величин на одном или нескольких выходах объекта.

Для выполнения всех трех типов испытательных процедур достаточно иметь в измерительной части СПС один вход, обеспечивающий возможность измерения всей номенклатуры электрических величин, и один выход. Сама специфика построения СПС предполагает использование методов измерения и выдачи изменяющихся во времени сигналов, основанных на обработке совокупностей мгновенных значений сигнала по известным формулам. Применение этих методов дает возможность измерения и выдачи большого числа величин, характеризующих как детерминированные, так и случайные сигналы.

Другой задачей является измерение и выдача с повышенной точностью параметров сигналов постоянного тока при наличии промышленных помех.

Третьей задачей является измерение и выдача параметров сигналов частот- но-временной группы.

96

Структуры измерительной части СПС

Возможны различные пути реализации структуры измерительной части СПС. Первый заключается в использовании функциональных узлов, каждый из которых выполняет одну определенную функцию.

Любая измерительная структура при этом состоит из двух последовательно соединенных устройств: при измерении – нормирующего преобразователя НПi и аналого-цифрового преобразователя АЦПj, при выдаче – цифроаналогового преобразователя ЦАПj и выходного формирующего устройства ВУi. Функциональные узлы соединены с шиной внутреннего интерфейса через свои интерфейсные части И, ЦАП и АЦП имеют выход на шину прямого доступа ШПД

(рис. 9.5).

Рис. 9.5. Фрагмент структуры измерительной части СПС на отдельных функциональных узлах

Функции коммутатора в данной структуре выполняют ключи, установленные на входах и выходах ВУi и НПi. Организация измерительной структуры сводится к включению необходимых НПi и ВУi (все остальные НП и ВУ при этом должны быть отключены).

Достоинствами структуры являются: 1) независимая работа по входу и выходу, 2) простота организации конкретных измерительных структур, 3) относительная простота реализации аналоговых частей отдельных функциональных узлов, 4) простота управления функциональными узлами с магистрали.

Недостатками являются: 1) большое количество независимых функциональных узлов и их интерфейсных частей, 2) аппаратная избыточность за счет того, что в отдельных группах функциональных узлов используются однотипные фрагменты, состоящие из одних и тех же компонентов.

Второй вид измерительных структур СПС по принципу построения не отличается от первого. Особенность заключается в уменьшении (по сравнению с рис. 9.5) числа функциональных узлов за счет создания модулей, способных выполнять несколько функций.

97

Программирование такого модуля на выполнение заданной функции производится подачей соответствующей команды по магистрали. По этой команде в аналоговой и цифровой части модуля происходит соответствующая коммутация. Аналоговые элементы обеспечивают необходимые функции преобразования и нормализации. Цифровая часть вырабатывает соответствующие внутренние сигналы, реализующие алгоритм работы заданной функции. Сохраняется независимый характер работы по входу и выходу. Нагрузка магистрали уменьшается за счет сокращения числа устройств, подключенных к ней.

Аппаратные затраты могут оказаться меньше, чем при реализации структуры рис. 9.5, за счет замены однотипных фрагментов на один, более сложный фрагмент. На рис. 9.6 показан один из возможных вариантов таких СПС.

Рис. 9.6. Структуры измерительной части СПС на программируемых функциональных узлах

Рассмотрим основные функциональные узлы структуры.

ПНПuir – программируемый нормирующий преобразователь напряжения, тока и сопротивления в унифицированный сигнал.

ПВУui – программируемое выходное устройство, формирующее напряжение и ток из унифицированного сигнала.

ПАЦПa – программируемый АЦП для измерения амплитуды унифицированного сигнала.

98

ПЦАПa – программируемый ЦАП для выдачи амплитуды унифицированного сигнала.

ПАЦПft – программируемый АЦП для измерения частоты или периода входного сигнала (напряжения).

ПЦАПft – программируемый ЦАП для выдачи частоты и периода выходного сигнала (напряжения).

Достоинствами структуры рис. 9.6 являются независимая работа по входу и выходу, простота организации конкретных измерительных структур, малое число функциональных узлов. К недостаткам можно отнести большие (по сравнению с рис. 9.5) аппаратные затраты на реализацию каждого функционального узла, а также некоторое снижение быстродействия при выполнении испытательных процедур за счет потерь времени на перепрограммирование функциональных узлов.

Третий вид измерительных структур по принципу реализации отличается от первых двух тем, что функциональный узел не выполняет конкретную задачу аналогового, аналого-цифрового или цифроаналогового преобразования, а является лишь «строительным материалом», из которого при помощи коммутатора составляется необходимая измерительная структура.

Обобщенная структура измерительной части СПС такого типа показана на рис. 9.7. Структура содержит набор функциональных узлов, интерфейсные части, внешний коммутатор Кн, а также внутренний коммутатор Кв, при помощи которого происходит соединение отдельных фрагментов в измерительные структуры.

Рис 9.7. Обобщенная структура измерительной части СПС на структурных функциональных узлах

На рис. 9.8 показана структура СПС, использующая набор элементов из 11 фрагментов. Рассмотрим основные структурные функциональные узлы:

ЦАП – быстродействующий цифроаналоговый преобразователь; СПУ – схема поразрядного уравновешивания. Совместно с ЦАП она реа-

лизует функцию быстрого аналого-цифрового преобразования; СВРс – схема выделения разностного сигнала, предназначена для коррек-

ции сигнала в режиме точного измерения и выдачи; ИОТ – источник опорных токов, выдает на сопротивление значение тока

соответствующего поддиапазона измерений; БВД – блок входных делителей, содержит набор входных делителей и

шунтов для выбора соответствующих поддиапазонов измерения;

99

ПОУ – программируемый операционный усилитель; СОП – схема определения периода входного сигнала; ЭСч – электронный счетчик числа импульсов; ГОЧ – генератор опорных частот; СиЧ – синтезатор частот;

УДД – управляемый дискретный делитель, предназначен для масштабирования амплитуды выдаваемых синусоидальных сигналов.

Рис. 9.8. Измерительная часть СПС на структурных функциональных узлах

100