4 Цифровые интерфейсы, используемые в автоматизированных системах управления

4.1 Термины и определения

При решении задач проектирования систем автоматики и телемеханики ключевым моментом является создание средств сопряжения объекта управления или исследования, ЭВМ и прочего оборудования, позволяющих объединить отдельные устройства в единую, целенаправленную функциональную систему.

Под устройством сопряжения (или, как еще называют, электронным интерфейсом) понимают технические средства, обеспечивающие совместную работу различной аппаратуры, прежде всего измерительной, ее взаимодействие со средствами обработки, отображения регистрации, накопления информации и, в первую очередь, с ЭВМ. Под интерфейсом также понимают совокупность правил (протоколов) и программного обеспечения процесса обмена информацией между функциональными блоками, а также соответствующих технических средств сопряжения функциональных блоков в системе. Фактически интерфейс реализует идею совместимости различных приборов, блоков, машин, делая возможным их объединение и последующее использование как единого целого.

В принципе существуют различные виды совместимости отдельных составных частей системы. Выделяют информацию, энергетическую и конструктивную совместимости. Важнейшей из них является информационная совместимость, позволяющая отдельным устройствам обмениваться информацией в соответствии с заданным алгоритмом функционирования, а также различными служебными сигналами (командами, адресами и т.п.). Требование информационной совместимости является обязательным для любого интерфейса, в то время как обеспечение энергетической и конструктивной совместимости, вообще говоря, не обязательно.

В связи с тем, что в настоящее время промышленностью, как и у нас, так и за рубежом выпускается очень широкая и все пополняющаяся номенклатура научного оборудования, приборов, средств вычислительной техники, задача обеспечения их совместимости может быть решена лишь путем стандартизации интерфейса. Известно весьма большое число стандартов на интерфейсы, отличающихся сферой основного приложения, различной степенью универсальности, основополагающими принципами, техническими характеристиками и т. д. В современных системах обработки информации, базирующихся на ЭВМ, преобладает цифровая форма представления информации. Даже для чисто функциональных аналоговых устройств, цифровые сигналы используются при управлении этими устройствами, анализа их состояния и других вспомогательных операций. Именно поэтому в большинстве стандартов на интерфейс главное внимание обращено на обеспечение совместимости именно цифровых элементов, обмен информацией между которыми, происходит с помощью дискретных сигналов - кодов того или иного типа.

Следует отметить, что перечисленные ранее специфические особенности систем автоматизации экспериментальных исследований накладывают свой отпечаток на характер требований, предъявляемых к электронному интерфейсу в системах автоматического контроля управления и регулирования. Интерфейс должен в первую очередь обеспечивать гибкость системы, т.е. возможность её быстрой перестройки, замены отдельных устройств, оперативного изменения их характеристик, подключения новых блоков. Для реализации этих требований современные интерфейсы строятся с учётом принципов модульности, программной управляемости и магистральности.

Модульность предусматривает выполнение отдельных элементов интерфейса, осуществляющих определенные функциональные преобразования, в виде законченных функциональных модулей фиксированного назначения. Совокупность таких модулей должна покрывать основную часть задач сопряжения экспериментального оборудования и измерительной аппаратуры со всеми частями систем, включая и ЭВМ. Принципмодульности в некоторых случаях трактуется как принцип агрегатируемости, когда вся система в целом собирается из отдельных автономных устройств, в числе которых может быть и ЭВМ. Каждое из этих устройств предназначено для решения той или иной конкретной задачи, например, для измерения определённого показателя, регистрации данных и т.п., причём сохраняется возможность их индивидуального использования в виде самостоятельных приборов и вне рамок системы. В этом их отличие от модулей, которые, как правило, могут лишь совместно при выполнении некоторых дополнительных условий(наличие источника питания, соответствующих конструктивных элементов, где размещаются модули и т.д.).

Программная управляемость модулей или автономных устройств систем означает такую их схемную реализацию, которая даёт возможность программным путем, с помощью определенного набора команд, подаваемых от специального управляющего блока или ЭВМ,изменять их конфигурацию и, технические характеристики. Тем самым программная управляемость элементов систем , объединенных интерфейсом , позволяет оперативно изменять возможности всей системы в зависимости от конкретных требований эксперимента.

Магистральный принцип организации предусматривает наличие общей системы шин, к которой подключаются отдельные модули, устройства, а также, быть может, ЭВМ. Обращение к тому или иному из устройств системы осуществляется путем адресации точнотак же, как это делается в ЭВМ при обращении к ОЗУ. Естественно, что каждому устройству должен соответствовать свой индивидуальный адрес.Наличие общей магистрали упрощает подключение новых модулей дополнительных блоков, т.е., обеспечивает гибкость и мобильность Магистральный принцип организации интерфейса аналогичен магистральному принципу структурной организации некоторых мини-ЭВМ . Принцип магистральности зачастую реализуется многократно на разных иерархических уровнях в сочетании с радиальной схемой между отдельными узлами интерфейса. В такого рода схемах сопряжения отдельные группы модулей подключенные к некоторой местной системе шин работают под управлением соответствующего местного устройства управления. В свою очередь, сами эти устройства объединяются другой общей магистралью, подключенной к групповому устройству управления или к ЭВМ.