27

•калібрування та автокалібрування систем – встановлення з потрібною точністю та дискретністю номінальних значень вимірюваних величин;

•оптимізація пасма частот пропускання (для мінімізації динамічної похибки).

Форми представлення і мінімізації похибки ВІС:

∆ = ∆ + ∆0 (перша складова – систематична - зменшується шляхом налагоджування системи, а друга – випадкова - збільшенням кількості вимірювань).

Інформаційна швидкість ВІС - швидкість передачі інформації системи. Ця швидкість вимірюється як кількість передачі двійкових символів за одиницю часу – біт/сек.

Технічна швидкість ВІС- кількість елементарних символів за секунду – bod/сек.

• Ефективність ВІС -

Сукупність властивостей, що характеризують економічність передавання інформації. Часто ними є вартість, масогабаритні показники, надійність.

КРИТЕРІАЛЬНІ ХАРАКТЕРИСТИКИ ВІС

Критерії питомих затрат ВІС (“α”- та “β”- критерії Сандерса):

Критерій α - частотний критерій - затрати пасма пропускання системи на передачу одиниці кількості інформації при певній якості приймання:

α = ∆fекв./R = ∆fекв./С

де ∆fекв – еквівалентне пасмо пропускання системи; R – інформаційна швидкість передавання інформації); для

ідеального (за Шенноном) каналу – R → Rmax ≡ C, а отже: α = ∆fекв./C;

Критерій β - енергетичний критерій - затрати енергії на передачу одиниці кількості інформації при певній якості приймання:

β = Е0/N0

28

де - Е0 – енергія сигналу на приймальному боці, що необхідна для передачі 1 біта інформації при заданій достовірності; N0 – спектральна густина шуму на вході приймальної частини системи.

γ- інтегральний критерій - умова оптимальності системи):

γ = α.β.

Взаємозв`язок критеріїв питомих затрат ВІС

Якщо Т0 – тривалість передачі одиниці інформації і, відповідно, C=1/Т0, тоді, у випадку неперервних каналів зв'язку при дії впливу білого шуму, β = Рс.Т0/N0. Зробивши відповідні підстановки та перетворення, із формули Шеннона С=∆fекв.log2(1+β.N0/N0. ∆fекв..Т0) отримаємо :

β = α(21/α-1)

Для досліджень визначимо екстремуми функцій β = f1(α) та γ = f2(α):

dβdα = (21α −1)+α 21α ln2(−1α2)= 21α −1 −( 1α )21α ln2 ≡ 0

Згідно правила Лопіталя запишемо:

Отже, як бачимо, для β = f1(α) (межа Шеннона) - екстремум відсутній.

29

На відміну від попередньої - функція γ = α.β = α2(21/α-1) має екстремум: dγ dα = 21α (2α − ln 2)− 2α . Якщо dγ/dα ≡ 0, тоді запишемо: 21/α (α - 0.5.ln2) = α. Звідси: αextr.=0.435; γmin=0.735

БАЗА СИГНАЛУ ВІС

значень вимірювальної інформації, що виробляється дискретним джерелом.

Якщо джерело дискретної інформації має алфавіт з n символів, а повідомлення складається з m символів тривалістю τ0, тоді:

30

Оптимум має місце коли продуктивність джерела відповідає пропускній здатності джерела: T0 =τ0log2 n. Тоді для α - критерію:

База сигналу визначає співвідношення між шириною спектру використовуваного сигналу і тривалістю елементарного символу τ0.

Якщо Бс min = 1 – сигнал наз. простим, а якщо Бс >> 1– сигнал наз. складним (широкополосним).

Найбільш характерні випадки:

Незначні затрати пасма частот

α << 1; Бс << log2n; n >> 2Бс ,

а отже, при Бс > 1 n → ∞, а при Бс = 1 n = 2Бс/α = 21/α >> 2

Для мінімізації пасма частот слід вибирати сигнал з мінімально можливою базою з використанням алфавіту з основою n >2. Такі сигнали називаються багато основними.

Таблиця1. Для ідеальної системи, що використовує прості сигнали

Незначні затрати енергії

β << 1

31

Бс >> log2n

Оскільки nmin= 2, то для мінімізації енергетичних затрат значення n слід збільшувати (так, при Бс = 10, β ≈ βmin). Якщо T0 =τ0log2 n, то :

=Pc Бc = Pc α

Рш log2 n Рш

Вимоги до потужності сигналу ВІС:

Таким чином, при відповідному виборі Бс , значення необхідного відношення Рс/Рш, при якому забезпечується задана якість передачі сигналу, може бути як завгодно малим (криптостійкі системи). Якщо α = 0.35…0.5, то γ ≈ γmin.

Дана область відповідає класу простих сигналів з n=4…8; якщо ж γ ≤ 1, то це забезпечується при n=2…16, що охоплює клас простих багатоосновних сигналів (має практичне значення).

Для ідеальних систем: α = 0.3…0.5; γ = 1.5…2.5.

Для реальних систем (при таких самих затратах ∆fекв.), енергетичні затрати зростають в десятки разів.

32

УЗАГАЛЬНЕНА СТРУКТУРА ВИМІРЮВАЛЬНОІНФОРМАЦІЙНОЇ СИСТЕМИ

Узагальнена структура ВІС показана на рис.11 і містить ряд апаратних модулів: вимірювальний, опрацювання інформації, зберігання і передачі інформації, відображення інформації, управління та інтерфейс ний [2].

ІФБ ІФБ ІФБ ІФБ

Рис. 11. Узагальнена структурна схема вимірювальноінформаційної системи

На рис.11 ПВП - первинний вимірювальний перетворювач; АВП - аналоговий вимірювальний перетворювач; АК - аналоговий комутатор; АЦП - аналого-цифровий перетворювач; ЦВП - цифровий вимірювальний прилад; РП – регулюючий пристрій; ПУ - пристрій управління; БЗУ – блок зберігання інформації; БВІ - блок відображення інформації; ІФБ - інтерфейсний блок; БУ - блок управління (процесор або ЕОМ).

До складу ВІС входять (рис.11):

- первинні вимірювальні перетворювачі ПВП, які розміщенні в певних точках досліджуваного об'єкта і служать для безпосереднього сприйняття інформації від нього шляхом перетворення різних фізичних величин X, Y,...,Z, що

33

характеризують стан об'єкта, в електричні величини; - аналогові вимірювальні перетворювачі АВП (вимірювальні підсилювачі, функціональні перетворювачі і т.п.),

які здійснюють первинну обробку вимірювальної інформації: підсилення сигналів, лінеаризацію функцій перетворення ПВП, корекцію похибок і т.д.;

- аналоговий комутатор АК, який здійснює почергово підключення аналогових каналів до цифрової частини

ВІС;

-аналого-цифровий перетворювач АЦП або групу АЦП;

-цифрові вимірювальні прилади ЦВП для вимірювань величин X,Y,…,Z;

-блок цифрових пристроїв виводу та відображення інформації БВІ;

-блок цифрових пристроїв зберігання та передачі інформації БЗІ;

-блок управління БУ (процесор або ЕОМ) для організації управління системою, тобто спільного функціонування всіх блоків, що входять до складу системи, відповідно до заданої програми;

-пристрій управління ПУ, який, на основі інформації від вимірювального модуля, формує сигнал управління на регулюючий пристрій;

-регулюючий пристрій РП, який безпосередньо впливає на досліджуваний об'єкт і змінює значення тих його параметрів, які відхилилися від норми;

-інтерфейс системи, тобто сукупність апаратних (інтерфейсних) блоків ІФБ та системи шин) і програмних засобів, необхідних для взаємодії різних функціональних блоків системи між собою та з блоком управління.

Слід зазначити, що не для кожної ВІС необхідна наявність всіх перерахованих вище функціональних блоків. Для кожної конкретної ВІС кількість блоків, об'єм функцій та зв'язки між блоками встановлюються в залежності від призначення системи.

ІНТЕРФЕЙСИ ВИМІРЮВАЛЬНИХ ІНФОРМАЦІЙНИХ СИСТЕМ

Сучасні ВІС будуються за агрегатним або модульним принципом, при якому всі пристрої, що входять до складу ВІС, виконуються у вигляді окремих, самостійних блоків (модулів). У складі ВІС ці блоки виконують певні, притаманні їм, функції і взаємодіють між собою шляхом передачі вимірювальних сигналів і сигналів управління через

систему спряження (узгодження), яка має назву інтерфейс.

Згідно із загальноприйнятим визначенням, стандартний інтерфейс - це сукупність уніфікованих апаратних, програмних і конструктивних засобів, необхідних для реалізації взаємодії різних функціональних елементів в автоматичних системах збору та обробки інформації при умовах, обумовлених стандартом і направлених на забезпечення інформаційної, електричної та конструктивної сумісності вказаних елементів[2]. Структурна схема

35

Рис. 13. Магістраль інтерфейса приладів HP-ІВ: ІФБ - інтерфейсні блоки; ФБ1,...,ФБn - функціональні блоки.

Вся вимірювальна інформація і команди передаються по восьми лініях інформаційної шини DIO (DATA INPUT OUTPUT) у двійковому коді.

Управління передачі кожного байта інформації здійснюється по трьох лініях шини управління:

-DAV (DATA VALID) - інформація достовірна;

-NRED (NON READY FOR DATA) - готовність або неготовність до прийому інформації;

-NDAC (NOT DATA ACCEPTED) - інформація прийнята або не прийнята.

Отже, шина управління передачею інформації або, як її ще називають шина синхронізації, служить для узгодження готовності джерела сигналу або контроллера до передачі інформації з готовністю приймача до прийому її, тобто для синхронізації їх роботи.

Шина загального управління інтерфейсом використовується контроллером для посилання команд до джерел та приймачів інформації.

Лінія - ATN (ATTENTION) - УВАГА вказує, яким чином слід інтегрувати дані, що поступають по шині DIO: як інтерфейсну команду чи як інформативне повідомлення.

Лінія IFC (INTERFACE CLEAR) - ОЧИСТИТИ ІНТЕРФЕЙС вказує на встановлення стану функціональних блоків

36

у початковий.

Лінія SRQ (SERVICE REQUEST) - ЗАПИТ НА ОБСЛУГОВУВАННЯ вказує на необхідність організації зв'язку з джерелом або приймачем інформації, який. виробляє цей запит.

Лінія REN (REMOTE ENABLE) - ДОЗВОЛЕНЕ ДИСТАНЦІЙНЕ УПРАВЛІННЯ (замість управління від внутрішніх вузлів системи).

Лінія EOT (END OR IDENTIFY) -КІНЕЦЬ АБО ІДЕНТИФІКАЦІЯ. Сигнал на цій лінії виробляється джерелом інформації, щоб відзначити закінчення багатобайтного повідомлення.

Структурна схема ВІС з опрацюванням даних і управлінням від ЕОМ та відображенням результатів вимірювань на дисплеї та графопобудовувачі, побудованої на основі використання інтерфейса приладів HP-IВ, зображена на рис.14.

Робота інтерфейса системи при передачі байта інформації від ФБ - джерела сигналу (ФБ-ДС) до ФБ - приймача сигналу (ФБ-ПС) відбувається наступним чином:

-ФБ-ДС і ФБ-ПС формують сигнали запиту на обслуговування на лінії SRQ шини управління;

-контроллер, прийнявши ці сигнали, виставляє адреси ФБ-ДС і ФБ-ПС на лініях DIO1,...,DI05 інформаційної

шини;

-розпізнавши свій адрес ФБ-С виставляє сигнал (логічну одиницю) на лінію NDAC шини синхронізації і контроллер дозволяє обмін інформацією;

-при відсутності сигналу на лінії DAV і наявності сигналів на лініях NRED і NDAC про те, що приймач не готовий до прийому даних, на інформаційній шині DIO встановлюється байт інформації;

-ФБ-ПС знімає сигнал з лінії NRFD, а ФВ-ДС формує сигнал на лінії DAV (дозвіл на обмін) і починається передача

даних;

-прийнявши байт інформації, ФБ-ПС знов виставляє сигнал на лінії NRFD і знімає сигнал а лінії NDAC, що е підтвердженням прийому інформації;

-одержавши підтвердження про прийом інформації, ФБ-ДС знімає сигнал з лінії DAV та інформацію на шині DIO;

-ФБ-ПС виставляє сигнал на лінії NRFD.

На цьому цикл передачі байта інформації від ФБ-ДС до ФБ-ПС закінчується.

38

управління привела до появи нового різновиду вимірювальних систем - вимірювально-обчислювальних комплексів (ВОК), в яких використовуються вільно програмовані ЕОМ з розвиненим програмним забезпеченням. Це дозволяє програмним шляхом змінювати алгоритм роботи системи, тобто здійснювати гнучку перебудову самої структури системи та взаємодії її з досліджуваним об'єктом без апаратурної перебудови.

До складу ВОК входять технічні та програмні компоненти. До технічних компонентів відносяться засоби обчислювальної техніки, засоби вимірювання фізичних величин і опрацювання вимірювальної інформації, засоби вводу та виводу цифрових та аналогових сигналів, блоки інтерфейса та ін.

Системне програмне забезпечення ВОК - це сукупність програмного забезпечення ЕОМ, яка використовується в ВОК, і додаткових програмних засобів, що забезпечують можливість роботи ВОК у діалоговому режимі. Прикладні програми ВОК забезпечують автоматичну обробку вимірювальної інформації, перевірку працездатності компонентів ВОК кожного зокрема і комплексу в цілому, метрологічне обслуговування ВОК (визначення метрологічних характеристик і метрологічну перевірку вимірювальних блоків ВОК, а також їх метрологічну атестацію) .

ВОК створюються на основі серійних обчислювальних комплексів і програмно-керованих пристроїв зв'язку з досліджуваним об'єктом.

Отже. поєднання в ВОК сучасних засобів вимірювальної та обчислювальної техніки та стандартних інтерфейсів дозволяє значно розширити функціональні можливості ВІС: змінювати алгоритми роботи для взаємодії з різними досліджуваними об'єктами без апаратурної перебудови систем.

Структура ВОК. Узагальнена структурна схема ВОК зображена на рис.30.8. Для забезпечення оптимального управління вільно програмована ЕОМ включається в замкнутий контур комплексу.

39

Засоби відображення інформації

Оператор

Рис. 15. Узагальнена структурна схема ВОК.

У цьому випадку вся система об'єднана програмою функціювання і опрацювання вимірювальної інформації, яка включає в себе як управління досліджуваним об'єктом, так і алгоритм взаємодії з оператором.

Структура ВОК може мати один або два рівні.

Однорівнева структура містить одну магістраль (рис.14), до якої підключені всі пристрої ВОК. Дворівнева структура (рис.16) містить дві магістралі - магістраль приладів і магістраль ЕОМ. Взаємодія між магістралями здійснюється через системний контролер - транслятор. Управління ВОК від ЕОМ здійснюється спеціальними програмами -

драйверами.

Електроприладобудівна промисловість випускає більше 50-ти різних типів ВОК, наприклад, ИВК-1, ИВК-2,..., ВК-20 і т.п.

Комплекси ИВК-1 і ИВК-2 будуються на основі процесорів СМ2103 і СМ2104 відповідно з використанням інтерфейса КАМАК і застосовуються для створення на їх основі АСУТП у різних областях виробництва, науки і техніки.

Комплекс ИВК-4 призначений для автоматизації складних лабораторних експериментів, які вимагають вводу-

40

виводу графічної інформації, тому до його складу додатково входить графічний дисплей ЗПГ CM і планшетнорулонний графопобудовувач.

Рис. 16. Дворівнева структура ВОК.

Комплекс ИВК-20 є проблемно-орієнтованим і використовується для автоматизації наукових досліджень у різних областях науки і техніки: фізиці, хімії, приладобудуванні та ін. Комплекс має обширне програмне забезпечення, що дає можливість видозмінювати і нарощувати периферійне обладнання і, тим самим, пристосовуватися до різних досліджуваних об'єктів.

ВИМІРЮВАЛЬНО-ОБЧИСЛЮВАЛЬНІ МЕРЕЖІ

Одною з проблем інформаційно-вимірювальної техніки на сучасному етапі є комплексна автоматизація вимірювального процесу, починаючи від збору інформації та закінчуючи опрацюванням даних і представленням

41

результатів вимірювань. Однак, забезпечення кожного експериментатора чи проектувальника високоефективним вимірювально-обчислювальним обладнанням є неефективне і практично неможливе. Дійсно, деякі організації мають унікальні вимірювальні засоби та системи (лазерні дальноміри, високоточні вимірювачі переміщень і т.п.), розміщені у спеціально обладнаних приміщеннях, а інші не мають доступу до такого обладнання, що приводить до неефективного використання його.

Сучасні засоби оптичного зв'язку мають велику пропускну здатність і дозволяють передачу як цифрових, так і аналогових сигналів. Це відкрило можливість колективного використання як обчислювального, так і вимірювального обладнання і привело до виникнення вимірювально-обчислювальних мереж.

Вимірювально-обчислювальна мережа (BОM) - це сукупність територіально розподілених засобів вимірювань, ЕОМ та абонентських пунктів (вузлів мережі), зв'язаних між собою каналами передачі даних з метою колективного використання апаратних, програмних та інформаційних ресурсів.

Абонентський пункт (АП) - робоче місце дослідників і проектувальників засобів вимірювальної техніки, обладнане необхідною апаратурою, а також терміналом на базі мікропроцесора або мікро-ЕОМ, які забезпечують доступ до мережі.

Локальна вимірювально-обчислювальна мережа

Локальна вимірювально-обчислювальна мережа (ЛВОМ) - це вимірювально-обчислювальна мережа, яка характеризується порівняно невеликими віддалями між безпосередньо зв'язаними вузлами мережі (не більше 2,5 км) і обслуговує зазвичай одне підприємство з територією по периметру не більше 10 км.

Концепція ЛВОМ орієнтована на автоматизацію комплексних наукових досліджень у межах одного підприємства (інституту) і передбачає:

-дистанційне управління унікальним вимірювальним обладнанням;

-опрацювання вимірювальної інформації в реальному масштабі часу;

-передачу інформації як у цифровій, так і аналоговій формі, а також телевізійних зображень;

-високі вимоги до інформаційної надійності та метрологічної достовірності даних.

Особливий поштовх до розвитку ЛВОМ дало широке впровадження у практику персональних комп'ютерів. Слід зазначити, що ЛВОМ через спеціальні пристрої можуть виходити на інші ЛВОМ і на глобальні ВОМ, що ще більше підвищує ефективність такої форми організації вимірювальних процесів.

Структура ЛВОМ

В основі побудови архітектури ЛВОМ використовуються різні конфігурації: зірка, кільце, шина, дерево та ін. Широкого поширення набула деревоподібна структура (рис.17), коли між двома вузлами ЛВОМ існує один зв'язок, а кожний вузол є центром своєї локальної "зірки".

42

При побудові ЛВОМ за деревоподібною структурою використовується принцип адміністративно-територіальної ієрархії: рівні складності ЛВОМ нарощуються за критерієм адміністративного підпорядкування .

На нижньому рівні ЛВОМ розміщенні абонентські пункти АП, тобто робочі місця дослідників і проектувальників засобів вимірювальної техніки, обладнані відповідною апаратурою і терміналами на базі мікро-ЕОМ, які забезпечують доступ до мережі.

Сукупність АП, розміщених в одному приміщенні (лабораторії), утворює відкриту підсистему - абонентську станцію, склад якої може змінюватись відповідно до поставлених задач. Для управління роботою підсистеми при розв’язуванні комплексних задач і для під'єднання її до інших підсистем ЛВОМ створюється центр комутації та управління ЦКУ на базі мікропроцесора або мікро-ЕОМ.

Абонентські пункти мають відносну самостійність у використанні ввіреного їм обладнання та рішенні простих задач. При розв'язуванні складних задач, а також при необхідності одержати додаткові ресурси, абонент через АП і ЦКУ використовує можливості всієї мережі, задаючи діалоговий або автоматичний режим роботи операційної системи ЛВОМ. Тобто абонент використовує вимірювальні та обчислювальні можливості своєї лабораторії, а коли це недостатньо, звертається до інших підсистем, наприклад, використовується віддалене обладнання в режимі обробки аналогової телеметричної інформації.

43

4-й рівень (об'єднання)

1-й рівень (лабораторії)

Рис. 17. Архітектура ЛВОМ

ЦКУ - центр комутації та управління; ОЦКК - обчислювальний центр колективного користування; АП - абонентський пункт.

Така ієрархічно-топологічна структура ЛВОМ, коли кожний рівень мережі будується за своїми топологічними правилами як окрема мережа, забезпечує її високу економічну ефективність, оскільки дає можливість створення потужних каналів зв’язку на основних маршрутах передачі інформації та забезпечення мінімально можливої кількості кроків при передачі інформації. Для вибору шляху передачі інформації досить задати адрес абонента і вказати напрям руху "вверх" чи "вниз" по мережі.

44

БАГАТОКАНАЛЬНІ ІНФОРМАЦІЙНО – ВИМІРЮВАЛЬНІ СИСТЕМИ

КЛАСИФІКАЦІЯ ЧУТЛИВИХ ЕЛЕМЕНТІВ (СЕНСОРІВ) ВІС:

1)За видом параметрів, що контролюються, ЧЕ поділяються на:

ЧЕ КОНТРОЛЮ ПРОЦЕСУ (обслуговують параметри, залежні від часу)

ЧЕ КОНТРОЛЮ ПОДІЙ (інформують про те, що подія відбулася)

ЧЕ контролю процесу поділяються на:

безпосереднього перетворення (вимірювальна величина функціонально пов`язана з вимірюваним параметром);

модуляційні (один чи кілька параметрів сигналу-носія змінюються у відповідності з вимірюваним параметром).

Вмодуляційних ЧЕ передача вимірювальної інформації реалізується на постійному (в т.ч. дискр.-імп.) та змінному струмах. У відповідності до вимірюваної величини змінюється той чи інший параметр сигналу:

на змінному струмові: амплітуда; частота чи фаза;

в імп. послід-ті: тривалість; частота; амплітуда імпульсів …

на постійному струмові: рівень сигналу.

ЧЕ контролю подій поділяються на:

сигнальні (фіксують факт наявності події);

лічильні (підраховують поодинокі події за певний період).

Класифікація сигналів, які переносять вимірювальну інформацію: неперервні; імпульсні; цифрові.

Вбагатоканальних системах важливим завданням є ущільнення та розділення каналів.

Всистемах ближньої дії доцільно застосовувати окрему лінію на канал.

Убагатоканальній ВІС передача вимірювальної інформації відбувається лише по одній лінії, а це вимагає реалізувати ущільнення каналів.