Метрология и электрорадиоизмерения / Вспомогательный теоретический материал / [lect] Данилин А.А. - Измерения в радиоэлектронике

Различают несколько видов совместимости:

1.Функциональная совместимость модулей – все модули функционально закончены и автономны; набор модулей должен решать все измерительные задачи, поставленные перед системой.

2.Информационная совместимость предполагает единые формы и виды сигналов по входам и выходам модулей.

3.Программная совместимость ИС – единство алгоритмов обмена информацией.

4.Конструктивная совместимость – согласование конструктивных параметров модулей, одинаковые габаритные и присоединительные размеры(платы, стойки, шкафы), единые типы соединительныхразъемов.

5.Энергетическая совместимость подразумевает единые требования к видупитающих напряжений, токов, мощностей, частот.

6.Эксплуатационная совместимость – это согласование параметров модулей ИС по надежности, допустимому уровню помех и пр.

7.Метрологическая совместимость предполагает применение единых методовоценкипогрешностейи сопоставимостьрезультатов измерений.

Различают два принципа построения агрегатных ИС: функционально – модульный и приборно-модульный. Первый принцип предполагает построение ИС из функционально законченных измерительных блоков (платы, отдельные измерительные преобразователи и датчики). Эти блоки выполняют отдельные измерительные операции и работать автономно (вне ИС) не могут. Часто они даже не имеют своего источника питания. Функционально-модульные ИС применяют в научных экспериментах, в промышленных системах автоматизации и контроля, в военной технике, где требуется высокая надежность работы в жестких условиях. Прибор- но-модульный принцип предполагает включение в ИС измерительных приборов. Каждый модуль представляет собой законченных измерительный прибор (стандартный или специально разработанный для ИС), который может работать и автономно. Приборно-модульный принцип построения ИС удобен в лабораторной практике и часто используется для связи приборов с компьютером и компьютерными сетями.

Рассмотрим структурные схемы построения измерительных систем (рис.16.1). Они включают набор модулей и управляющее устройство (контроллер).

Радиальная структура применяется для небольших систем с малым количеством модулей. Требует отдельного порта на контроллере для каждого модуля, что усложняет наращивание системы. Скорость обмена информацией может быть велика и зависит от быстродействия каждого канала связи.

Каскадная или цепочечная структура – наиболее простой способ построения ИС. Каждый модуль пропускает через себя всю передаваемую

373

информацию. Новые модули включаются в разрыв цепочки, количество их не ограничено структурой ИС. Управление ИС в каскадных структурах обычно децентрализовано (функции контроллера выполняет либо один, либо несколько модулей). Поскольку такая структура не требует централизованного управления, она применяется для автономных переносных систем. Однако быстродействие ИС каскадного типа ограничено, скорость передачи информации зависит от параметров самого медленного модуля системы.

Радиальная структура

Контроллер

Магистральная структура

Контроллер

Магистральная шина

Рис. 16.1. Структурные схемы измерительных систем

374

Магистральная структура наиболее часто применяется для ИС с высоким быстродействием. Вся информация передается по единой интерфейсной шине (магистрали). Для ее правильной передачи в ИС требуется адресация модулей («кто приемник – кто передатчик»), что замедляет обмен и усложняет управление. Для малых систем магистральная структура обычно избыточна, однако она обладает большим быстродействием, чем каскадная. Магистральная ИС легко наращивается – подключение дополнительного модуля требует лишь модернизации программного обеспечения контроллера ИС.

По назначению можно выделить два типа ИС – информационно-

измерительные системы (ИИС) и измерительно-вычислительные комплексы (ИВК).

ИИС предназначены для сбора и передачи измерительной информации с удаленных датчиков. Примером ИИС является система сбора телеметрической информации с летательного аппарата, система противопожарной сигнализации и др. Упрощенная структура ИИС представлена на рис.16.2.

Входные измерительные преобразователи

Аналоговые измерительные преобразователи -

коммутаторы, усилители, аттенюаторы

Аналого-цифровые преобразователи

Цифровые преобразователи

Цифровые устройства вывода,отображения и хранения собранной информации

Контроллер

Рис. 16.2. Структурная схема информационно-измерительной системы

375

Перечислим основныефункцииинформационно-измерительныхсистем:

•измерение физических величин в точках расположения датчиков, преобразование результата в числовое значение;

•сбор измерительной информации в устройстве памяти;

•преобразование и хранение информации;

•несложная обработка информации (например, масштабирование результатов);

•представлениеинформациина выходных устройствах(табло, принтер).

Контроллер выполняет довольно простые функции. Он задает программу работы ИИС, режимы преобразования, хранения и пр. В ИИС можно выделить ряд подсистем – измерительная подсистема, подсистемы сбора информации, преобразования информации, предварительной обработки данных, управления системой. Для агрегатных ИС это обычно отдельные унифицированные блоки, связанные устройством сопряжения (интерфейсом).

Измерительно-вычислительные комплексы отличаются присутствием в составе системы ЭВМ или компьютера, который берет на себя как функцию контроллера, так и функцию обработки информации. Кроме этого, в ИВК часто предусматривают генерацию сигналов, подаваемых на исследуемое устройство. ИВК предназначены для:

•осуществления прямых, косвенных и совместных измерений с помощью удаленных измерительных блоков (датчиков);

•программного управления процессом измерения;

•полной обработки опытных данных;

•представления результатов измерений в требуемом виде;

•запоминания больших объемов измерительной информации. Обычно ИВК строят по магистральной схеме (рис.16.3).

Внутренний интерфейс ИВК представляет собой протяженную магистральную линию связи датчиков с компьютером. На этой же магистрали может располагаться специальный модуль, содержащий цифроаналоговые преобразователи. Он служит для выработки сигналов и управляющих команд, подаваемых на исследуемые устройства. Связь с компьютером обеспечивает устройство сопряжения. На системной шине компьютера располагаются типовые устройства персонального компьютера. Все операции управления ИВК осуществляется с компьютера программным способом, для чего используется специализированное программное обеспечение ИВК.

Основным элементом ИС, определяющим ее свойства, является интерфейс. Интерфейс – это совокупность технических и программных средств, обеспечивающих взаимодействие составных частей ИС. При

376

построении агрегатных ИС используют стандартные интерфейсы. Иными словами, агрегатированные ИС – это конструирование модулей ИС со стандартным интерфейсом.

Входные измерительные преобразователи

Вторичные аналоговые измерительные преобразователи

Аналого-цифровые преобразователи

Приборный (внутренний ) интерфейс

Цифровые

сигналы

Аналоговые

сигналы

Системная шина компьютера

Рис. 16.3. Структурная схема измерительно-вычислительного комплекса

Стандартизация интерфейсов позволяет проектировать ИС различной конфигурации и сократить число типов ИС, упрощает разработку отдельных элементов ИС и их техническое обслуживание, повышает надежность ИС.

377

Классификация интерфейсов, применяемых в измерительных системах

Интерфейсы обычно классифицируют по типу используемой шины передачи цифровой информации.

По принципу обмена информацией интерфейсы делятся на:

1.Последовательные – передают цифровую информацию побитно, пакетами. Применяют при передаче на большие расстояния, там, где требуются простые, экономичные системы с высокой помехоустойчивостью.

2.Параллельные – имеют шины (совокупность линий передачи бинарных кодов), которые передают целое слово цифровых данных сразу. По сравнению с последовательными имеют выше пропускную способность, но неэкономичны, громоздки и имеют низкую помехозащищенность.

3.Параллельно-последовательные – комбинация из двух первых типов.

Сочетают более высокое быстродействие и относительную простоту.

По способу передачи информации интерфейсы делят на синхронные и асинхронные. Первый тип интерфейсов передают информацию в такт со специальными синхросигналами (которые надо передавать отдельно), при этом все модули работают с одинаковой скоростью. Асинхронные протоколы предполагают квитирование передачи. Приемный модуль сигнализирует о готовности получать информацию, передающий модуль ожидает подтверждения приема. В таких системах можно использовать модули с различным быстродействием.

По режиму обмена информацией различают интерфейсы, в которых передача может идти одновременно в обе стороны. Любой модуль может передавать информацию по интерфейсу в произвольный момент времени. Такие системы называют дуплексными. Если в интерфейсе возможна в данный момент времени передача только от одного из модулей – такие системы называют симплексными. Полудуплексный режим предполагает, что любой из модулей может начать работу, если интерфейс в данный момент времени свободен. Мультиплексный режим работы предполагает возможность связи между любой парой модулей в режиме разделения времени.

Конструктивно интерфейс может включать в себя шины линий данных, адресную шину и шину линий управления и синхронизации и пр. Кроме этого, в состав интерфейса входят активные и пассивные согласующие устройства и блоки.

В современных измерительных системах нашли широкое применение функционально-модульные комплексы по стандартам CAMAC и VXI.

Стандарт КАМАК (CAMAC – Computed Aided for Measurement, Automa378

tion and Control) разработан комитетом по стандартам в области ядерной электроники (ESONE) в 1968 году. Утвержден стандартом IEEE 583 и

ГОСТ 26.201–80, 26.201.1–94 и 26.201.2–94. Он представляет собой первую в мире магистрально – модульную агрегатную систему, предназначенную для сбора, накопления, преобразования и обработки измерительных и управляющих сигналов в ИС реального времени, соединенных с ЭВМ (компьютером). На основе стандарта CAMAC строят быстродействующие измерительно-вычислительные комплексы реального времени, которые применяют для измерений в сложных научных экспериментах и в промышленных системах автоматизации. Конструктивно они предполагают размещение модулей системы и контроллера в специальных ящи- ках-крейтах. Обмен информацией между модулями и контроллером происходит по магистрали крейта. Предельная пропускная способность магистрали КАМАК – порядка 3 Мбайт/с.

Измерительная система VXI (VMEbus eXtention for Instrumentation – VXI) соответствует стандарту IEEE 1155–1994. Стандарт получил широкое распространение как платформа для сбора и анализа данных в исследовательских и промышленных приложениях. Он использует принципы магистрально-модульных систем и способы подключению модулей по технологии plug&play. В системе VXI измерительные блоки и компьютер выполнены в едином конструктиве в виде вставных модулей-плат, размещаемых в стандартном шасси. Это напоминает рассмотренную выше модульную систему PXI. Модули и контроллер взаимодействуют между собой по высокоскоростному магистральному 32-битному интерфейсу VMEbus, расположенному в шасси. Предельная пропускная способность магистрали VXI – до 100 Мбайт/с.

Для создания простых приборно-модульных измерительных систем в лабораторной практике широко используют универсальную последовательную шину USB. Этот интерфейс обеспечивает удобную связь измерительных приборов с компьютером и позволяет реализовать компьютерные измерительные устройства, рассмотренные в предыдущей главе. Для конструирования распределенных функционально-модульных и при- борно-модульных измерительных систем применяют последовательные интерфейсы типа RS–232C (а также подобные ему RS422 и RS485), популярный сетевой интерфейс Ethernet (LXI) и специализированный приборный интерфейс GPIB (IEEE 488). Эти интерфейсы будут рассмотрены далее более подробно.

Последовательный интерфейс RS–232C

Для построения простейших ИС радиального типа часто используют последовательный интерфейс RS–232C (Recommended Standard 232). Разработан в 1962 г. ассоциацией Electronic Industries Association (EIA) для связи ЭВМ с удаленными устройствами при минимальном количестве ли-

379

ний в шине. В 1969 г. появилась третья модификация (RS–232C), которая явилась основой последовательного COM-порта персональных компьютеров. Достоинства интерфейса – простота, минимальная стоимость, высокая помехоустойчивость, способность использовать телефонные и другие двухпроводные сети. Недостатки – малая скорость обмена, относительно сложные устройства управления передачей иприемом информации.

Интерфейс RS–232C предназначен для связи по протоколу «точка-

точка» двух типов устройств: DTE (Data Terminal Equipment) – это тер-

минальные устройства (дисплеи, принтеры и пр.), и DCE (Data Communication Equipment) – телекоммуникационные устройства (модемы). Конструктивно интерфейс предусматривает два типа применяемых разъемов (DB25 или DE9), однако в измерительной технике применяют исключительно 9-штырьковые разъемы. Обозначение наиболее важных линий приведено на рис. 16.4.

Рис. 16.4. 9-пиновый разъем интерфейса RS–232C

Назначение наиболее важных линий интерфейса, используемых для передачи информации междуприбором и контроллером в ИС:

•TD или TxD (transmitted data) – передаваемые данные;

•RD или RxD (received data) – принимаемые данные;

•RTS (request to send) – запрос передатчика;

•СTS (clear to send) – сброс передатчика;

•GND или SG (signal ground) – сигнальная земля;

Последовательность информационных битов передается по линиям RxD, TxD, соединенных между устройствами «крест-накрест». Квитирование приема и передачи информации осуществляется сигналами RTS и

380

Когда по сигнальной линии не передаются данные – линия находится в состоянии ожидания (логическая единица – маркер). Начинается передача со стартового бита (логический нуль). Приемник начинает принимать младший бит передаваемых данных после перехода от нуля к единице в конце стартового бита. В посылке передаются 7 или 8 информационных битов, после чего может присутствовать бит четности. Он используется

381

для проверки правильности передаваемых данных. Его значение устанавливается из условия: сумма всех единиц данных – включая и сам бит четности – должна быть четным числом. Несовпадение означает ошибку по контролю четности. В завершение посылки передаются один или два стопбита (логическая единица). Формат посылки данных устанавливается до начала передачи как в приборе, так и в контроллере. Длительности битов определяются выбранной скоростью передачи и задаются внутренними генераторамитактовых импульсовкак передатчика, так иприемника.

Протокол передачи данных по последовательному интерфейсу реализуют специальной микросхемой приемопередатчика UART (Universal Asynchronous Receiver/Transmitter). Для связи устройств их приемопере-

датчики программируют согласованно. Необходимо задать скорость? количество бит, наличие или отсутствие бита четности (E/N), количество стоп-бит. Например, 9600/8–N–1 означает программирование интерфейса на скорость 9600, передачу байта данных без контроля четности с одним стоп-битом.

Интерфейс RS–232C может работать как в дуплексном режиме (с двумя линиями связи), так и в симплексном или полудуплексном – с одной линией. Для квитирования данных используются два варианта протоколов – аппаратный (квитирование посылки с использованием сигналов RTS/CTS) и программный (XON/XOFF). Последний предполагает квитирование передачи и приема специальными сигналами XOFF(13h) и XON (11h). Аппаратный способ предпочтительнее – быстродействие и надежность выше, программный способ не требует передавать сигналы RTS,CTS, что уменьшает число линий передачи.

Для передачи на большие расстояния (более 15 м) помехоустойчивость последовательного интерфейса становится неудовлетворительной. Сказываются внешние помехи; приходится снижать скорость передачи и использовать проверку на четность. Для измерительных систем со значительным удалением модулей друг от друга используют более современные последовательные интерфейсы с дифференциальными линиям пере-

дачи данных RS–422 (EIA–422) и RS–485.

Повышение скорости передачи, помехоустойчивости и увеличение максимальной длины линии передачи достигается в этих интерфейсах за счет использования дифференциального напряжения на сигнальных линиях (обозначаемых A и B). Пауза или логический нуль кодируются превышением напряжения линии А над линией В на 5 В (TTL уровни). Для маркера или логической единицы, наоборот, напряжение В выше, чем напряжение А. Кроме сигнальных, в линии должен быть и общий провод

(«земля»).

На рис. 16.6 показан вариант системы с одним передатчиком и несколькими приемниками, соединенными дифференциальной линией связи по последовательномуинтерфейсу RS–422.

382