Тема 6: микропроцессорные средства сбора и первичной обработки информации

Данная тема посвящена анализу нового поколения измерительных средств, под которыми будем понимать, как отдельные элементы и узлы автоматизированных цифровых измерительных устройств и систем АЦП, ЦАП, "аналоговые" микропроцессоры и другие аппаратные средства сбора, измерения, изготовленные по технологии полупроводниковых и гибридных больших и сверхбольших интегральных схем с регулируемыми функциональными возможностями, так и микропроцессорные измерительные приборы, подсистемы и системы, способные работать как в автономном так и в комплексном режимах микропроцессорных средств сбора и первичной обработки информации.

6.1. Характеристика и признаки классификации средств сбора и первичной обработки информации

Общими чертами устройств являются :

- преимущественное использование аналоговых и гибридных БИС и СБИС;

- микропроцессоров для управления и обработки информации;

- наличие интерфейса с компонентами систем.

При рассмотрении микропроцессорных ИИС будут использованы следующие принципы их классификации:

- входные физические величины и их параметры;

- алгоритмы измерения и обработки;

- метрологические характеристики, включая такие:

· состав аппаратных средств, уровень их интеграции,

· конструкторское исполнение;

· программно-алгоритмическое обеспечение;

· количество и сложность выполняемых измерительными микропроцессорными средствами (ИМС) функций измерения.

Входными для ИМС могут быть как электрические так и неэлектрические величины, которые по физической природе могут быть однородными и разнородными. Количество входных величин определяет количество измерительных каналов. По виду выходной информации они могут быть разделены на измерительные приборы и на системы, которые выдают информацию о состоянии исследуемых объектов - контрольные, диагностические, распознающие, управляющие. Для ИМС могут быть характерными несколько целей функционирования и их перестраиваемость (виртуальность) с помощью изменения программного обеспечения.

Учитывая все выше сказанное, можно выделить восемь основных типов ИМС.

6.2. Основные типы измерительных микропроцессорных средств (имс)

1) Интегральные средства сбора, измерения и преобразования сигналов. К ним отнесем полупроводниковые и гибридные аналоговые и цифровые ИС, БИС и СБИС, включая комплекты микропроцессорных наборов и микропроцессоры. Средства выполняют определенные виды операций по преобразованию аналоговой и цифровой информации:

- сбор с помощью коммутаторов;

- преобразование в аналоговом виде (усиление, запоминание);

- аналого-цифровое преобразование (АЦП);

- цифроаналоговое преобразование;

- реализацию алгоритмов цифрового преобразования сигналов и др.

2) Микропроцессорные цифровые измерительные приборы. К ним относятся высокочастотные вольтметры, мультиметры (от лат. multum - много - означает многофункциональный измеритель), цифровые анализаторы и т.д. Встроенные микропроцессорные средства выполняют контрольные функции по управлению коммутацией измерительных цепей, процессом обработки и выдачи информации, а также контролем функционирования, самонастройки, коррекции и диагностики. Программное обеспечение - "жесткое", записано в ПЗУ и не предназначено для замены.

3) Микроконтроллерные проблемно-ориентированные подсистемы и устройства (логгеры). Функциональное назначение - измерение однородных и разнородных физических величин, обработка информации, контроль и управление производственными процессами. Число измерительных каналов обычно небольшое, характер измеряемых параметров однотипный. Типичными представителями данного вида ИМС являются так называемые логгеры. Особенность логгеров - функциональная законченность в рамках одного конструктива, позволяющая самостоятельно решать задачу автоматического измерения, контроля и управления; программируемость и задание необходимого режима работы для конкретных условий эксплуатации; функционирование не только как автономного устройства, но и как подсистемы нижнего уровня в ИИС - в качестве УСД. Логгеры имеют соответствующие средства сопряжения с магистралями сетей и систем. Центральная ЭВМ обращается с логгером на языке высокого уровня (Бейсик, Си и др.). Каждый логгер, подключенный к сети, может опрашиваться и, при необходимости, перепрограммироваться.

4) Микропроцессорные подсистемы сбора, измерения и обработки данных. С их помощью осуществляется многоканальное измерение разнородных физических величин, а также предварительная обработка информации для последующей передачи в магистраль ИИС или на дисплей оператору. Количество каналов может быть значительным (до сотен и более), расширена также оперативная память. Выполняются системы в виде блочно-модульной конструкции и предполагается возможность наращивания аналоговой части (количества входных каналов) более гибкое (чем у логгеров, например), формирование измерительных цепей (подключение усилителей, фильтров, различных видов АЦП и др.). Автономное функционирование не предусматривается. В сочетании с внешними устройствами: клавиатурой, дисплеем, микроЭВМ, внешними устройствами памяти - образуется измерительно-вычислительный комплекс (ИВК). Программное обеспечение - "гибкое", изменяемое оператором. Управление подсистемы происходит с помощью команд на языке высокого уровня. В технической литературе эти устройства называются периферийными модулями или платами сбора, обработки данных и управления, они открывают класс устройств, называющихся устройствами сопряжения с объектом – УСО.

5) Мультимикропроцессорные подсистемы сбора, измерения и обработки данных. Характерной особенностью этих средств является использование одного или нескольких микропроцессоров для выполнения как контрольных, так и вычислительных функций с целью повышения производительности и обеспечения работы в решение реального времени. В подсистеме такого типа могут быть использованы как универсальные микропроцессоры, так и специализированные (например, арифметический). Остальные свойства аналогичны, указанным в п.4. В технической литературе эти устройства называются микроконтроллерами.

6) Быстродействующие мультимикропроцессорные подсистемы измерения, обработки и регистрации предназначаются для измерения, обработки и регистрации данных (с выходом на графопостроитель) информации быстропротекающих процессах. Характеризуются, как правило, небольшим количеством каналов, наличием быстродействующих АЦП, устройствами масштабно-временного преобразования, специальных "аналоговых" процессоров обработки сигналов. Обладают меньшей универсальностью, специальным программным обеспечением, минимальным набором внешних устройств.

7) Универсальные микрокомпьютерные системы (микроИВК). В состав данных средств как неотъемлемая часть входят микроЭВМ или ПЭВМ с набором периферийных устройств: дисплеем, клавиатурой, цифропечатью, графопостроителем, развитой оперативной и долговременной памятью. Исполняются в соответствии с жесткими стандартами для промышленного использования. Сохраняют работоспособность при экстремальных температурах, устойчивы к воздействию повышенных ударных нагрузок и вибрации. Имеют компактные, надежные конструктивные решения, сниженное энергопотребление. Часто объединяются в сетевые комплексы, включающие ряд контроллеров, несколько дисплейных пультов операторов, промышленную сеть соединяющую их между собой. Основные функции - многоканальные измерения физических величин, потенциальная возможность перестройки структуры под определенный класс задач, развитое программное обеспечение.

8. Открытые магистрально-модульные многопроцессорные ИМС.

Открытая система – зто система, реализующая открытые спецификации на интерфейсы, протоколы, службы и форматы данных, достаточные для того, чтобы обеспечить:

мобильность – возможность переноса на широкий диапазон систем с минимальными изменениями;

интероперабельность – возможность совместной работы с другими прикладными системами;

мобильность пользователей – взаимодействие с пользователями в стиле, облегчающем им переход от системы к системе.

Наряду с положениями, указанными в пунктах 4,5 и 7, для повышения гибкости архитектуры ИМС выполняются конструктивно в модульном варианте типа КАМАК, VME, а взаимодействие отдельных модулей (процессоров) обеспечивается посредством объединения их с помощью единой магистрали. Скорость передачи по магистрали стандарта VME составляет 20-40Мбод. Номенклатура плат, которые выпускают более 200 фирм, составляет более 3000 наименований: центральные процессоры, сетевые контроллеры, блоки памяти, различные виды модулей УСО и т.д. Платы и их разъемы сделаны в стандартных форматах Evrocard и вставляются в стандартные конструктивы, имеющие широкий диапазон исполнения на разные условия окружающей среды: температуру, пыль, влагу, вибрацию, электромагнитные помехи и прочее. Магистрально-модульная структура позволяет на значительный срок стабилизировать архитектуру основных комплектов технических и программных средств.