Реферат: Автоматизированные измерительные и диагностические комплексы, системы

Указанные признаки позволяют характеризовать только определен­ные аспекты организации интерфейсов.

Более полная характеристика и систематизация интерфейсов могут быть выполнены при условии классификации по нескольким совокупнос­тям признаков: функциональному назначению, логической функциональ­ной организации и физической реализации.

К основным характеристикам интерфейса относятся следующие: функциональное назначение; структура или тип организации связей; принцип обмена информацией; способ обмена данными; режим обмена данными; номенклатура шин и сигналов; количество линий; количество линий для передачи данных; количество адресов; количество команд; быстродействие; длина линий связи; число подключаемых устройств; тип линии связи.

Соединение отдельных приборов и блоков между собой осуществля­ется линиями связи или линиями интерфейса. Линии интерфейса могут объединяться в группы для выполнения одной из операций в программно-управляемом процессе передачи данных. Эти группы линий называются шинами интерфейса. Назначение отдельных линий и шин, их номенклатура и взаимное расположение в системе (топологии) являются базовыми при рассмотрении функционирования любого интерфейса.

В отечественных и зарубежных микропроцессорных измерительно-управляющих вычислительных системах (МП ИУВС) распространены асинхронные мультиплексные интерфейсы с параллельным способом передачи информации: 8-разрядные интерфейсы Microbus; 16-разрядные интерфейсы общая шина (Unibus), Microbus, интерфейс микроЭВМ "Элек­троника 60" (Q-bus, LSI-11).

Для связи датчиков информации, исполнительных элементов, терри­ториально удаленных от процессора на десятки и сотни метров, в МП ИУВС применяют интерфейсы периферийных устройств. В таких интер­фейсах используются как параллельный, так и последовательный спосо­бы обмена информацией. При этом последний по причине существенного упрощения собственно линии связи, а следовательно, и снижения стои­мости наиболее предпочтителен, если при этом обеспечивается необходи­мая скорость передачи информации.

В последнее время в связи с развитием микро- и мультипроцессорных ИУВС, отдельные микропроцессоры или устройства ввода-вывода кото­рых могут отстоять друг от друга территориально на сотни метров (на­пример, заводская или цеховая ИУВС), все более широко применяются системные интерфейсы или интерфейсы локальных сетей. Системный интерфейс, как правило, имеет многоуровневую архитектуру (совокуп­ность) аппаратных и программных средств.

Из зарубежных локальных сетей наиболее известны DEC net фирмы "Digital Equipment Corp", z-net фирмы "Zilog Inc", сеть фирмы IBM, Om minet фирмы "Corvus Inc" и др.

При построении ИИС, согласно ГОСТ 22316-77, должны применяться следующие структуры соединения функциональных блоков  между собой:

·     цепочечное соединение, при котором единственный выход предшест­вующего блока соединен    с единственным входом последующего блока, так что соединенные блоки образуют цепь;

·     радиальное соединение, при котором один блок соединен одновремен­но с несколькими блоками, причем с каждым из них отдельной независи­мой линией;

·     магистральное соединение, при котором входы и (или) выходы сопрягаемых блоков соединены одной общей линией.

В цепочечной структуре каждая пара источник-прием­ник соединена попарно линиями от выходов предыдущих ФБ ко входам последующих, обмен данными происходит непосредственно между бло­ками или приборами. Функции управления распределены между этими устройствами. Цепочечную структуру интерфейсов используют, как пра­вило, в несложных системах с несколькими функциональными уст­ройствами.

В системе, выполненной по радиальной структуре, име­ется центральное устройство - контроллер, с которым каждая пара ис­точник-приемник связана с помощью индивидуальной группы шин. Бло­ки и приборы, подключаемые к контроллеру, могут изменять свои места при соответствующем изменении программы работы контроллера. Под управлением контроллера происходит обмен данными между каждым устройством и контроллером. Связи между управляющим устройством и одним из устройств-источников или приемников сигналов может осу­ществляться как по инициативе контроллера, так и по инициативе уст­ройств (абонентов). В последнем случае одно из устройств вырабатывает сигнал запроса на обслуживание, а контроллер идентифицирует запраши­ваемое устройство. Когда контроллер готов к обмену данными, логически подключаются цепи связи и начинается процесс обмена. Эти цепи остаются подключенными, пока не будет передана нужная порция информации.

Контроллер может производить обмен данными только с одним из устройств. В случае одновременного поступления запросов от двух и более абонентов по системе приоритетов будет установлена связь с уст­ройством, имеющим наивысший приоритет. Приоритет присваивается приборам и блокам в зависимости от их типа, технических характерис­тик и важности поступающей информации. В интерфейсах с радиальной структурой чаще всего приоритет зависит от места подключения кабеля, соединяющего абонент (ФБ) с контроллером.

Радиальное соединение функциональных блоков позволяет достаточ­но просто и быстро осуществлять адресацию и идентификацию требуе­мого ФБ.

К недостаткам радиальной структуры можно отнести большую дли­ну соединительных линий, а также сложность контроллера, что приводит к увеличению стоимости ИС.

В системах с магистральной структурой вместо группы индивидуальных шин имеются коллективные шины, к которым подсоеди­няются все источники и приемники информации и контроллер.

По принципу обмена информацией интерфейсы подразделяют на па­раллельные, последовательные и параллельно-последовательные. При параллельной передаче цифровых данных численное значение величины, содержащее т битов, транслируют по т информационным линиям. Это сообщение одновременно и полностью может быть введено в интерфейс, а также воспринято приемником. Интерфейсные устройства параллель­ного ввода-вывода информации позволяют согласовать во времени процесс обмена данными между ЭВМ и периферийным устройством.

Интерфейсные функции

Основные функции интерфейса заключаются в обеспечении информа­ционной, электрической и конструктивной совместимости между функ­циональными элементами системы

Информационная совместимость - это согласованность взаимодей­ствий функциональных элементов системы в соответствии с совокупностью логических условий. Логические условия определяют:

·     структуру и состав унифицированного набора шин;

·     набор процедур по реализации взаимодействия и последовательности их выполнения для различных режимов функционирования;

·     способ кодирования и форматы данных, команд, адресной информации и информации состояния;

·     временные соотношения между управляющими сигналами.

 Логические условия информационной совместимости определяют функциональную и структурную организацию интерфейса и для большин­ства интерфейсов стандартизируются. Условия информационной совмес­тимости определяют объем и сложность схемотехнического оборудования и программного обеспечения, а также основные технико-экономические показатели (пропускную способность и надежность интерфейса).

Электрическая совместимость — это согласованность статических и динамических параметров передаваемых электрических сигналов в системе шин, с учетом используемой логики и нагрузочной способности элементов.

Условия электрической совместимости определяют:

·     тип приемопередающих элементов;

·     соотношение между логическим и электрическим состояниями сигна­лов и пределы их изменения;

·     коэффициенты нагрузочной способности приемопередающих элементов;

·     схему согласования линии;

·     допускаемую длину линии и порядок подключения линий к разъемам;

·     требования к источникам и цепям электрического питания;

·     требования к помехоустойчивости и заземлению.

Условия конструктивной совместимости определяют:

·     типы соединительных элементов (разъем, штекер);

·     распределение сигналов интерфейса по контактам соединительных элементов;

·     типы конструкции платы, каркаса, стойки;

·     конструкции кабельного соединения.

Выполнение информационных электрических и конструктивных усло­вий интерфейса необходимо, но не достаточно для взаимного сопряжения устройств и обмена данными между ними. Эти устройства должны выпол­нять в определенной последовательности операции, связанные с обме­ном информации: распознавать адрес сообщения, подключаться к линиям интерфейса, передавать сообщение в интерфейс, принимать его из интер­фейса и др.

Интерфейсные функции отличаются от приборных, связанных непо­средственно с проведением измерения, т. е. с преобразованием данных, их накоплением, первичной обработкой, представлением и др.

Интерфейсные функции обеспечивают совместимость друг с другом различных приборов, не ограничивая работоспособность других приборов в системе. Функции, которые устройства выполняют чаще всего, называют­ся основными. К ним относятся:

·     выдача и прием информации (выполняются источниками и приемни­ками информации);

·     управление передачей данных (функция контроллера);

·     согласование источника информации (выполняется устройством-источником или контроллером);

·     согласование приемника информации (выполняется устройством-приемником или контроллером).

Функции контроллера может выполнять не только одно, но и несколь­ко устройств в системе.

Основные функции интерфейса, которые необходимо реализовать для обеспечения информационной совместимости, определяются функ­циональной организацией интерфейса. На канал управления возложены функции селекции информационного канала, синхронизации обмена ин­формацией, координации взаимодействия, а на информационный' канал возлагаются функции буферного хранения информации, преобразования формы представления информации и др.

Селекция, или арбитраж, информационного канала обеспечивает одно­значность выполнения процессов взаимодействия сопрягаемых элементов системы.

Анализ возможных вариантов реализации способов селекции уст­ройств на информационной магистрали позволяет выделить следующие операции селекции: инициирование запроса, выделение приоритетного запроса, идентификация запроса.

Инициирование запроса включает в себя процедуры выдачи, хране­ния и восприятия запроса на организацию процесса взаимодействия. Сиг­налы запроса могут храниться в регистре управляющего блока (радиаль­ная структура шины запроса) или на отдельных триггерах каждого интер­фейсного блока (магистральная структура шины запроса).

Функция выделения приоритетного запроса осуществляется на основе анализа сигналов занятости информационного канала, разрешения прио­ритетного прерывания, запроса источника сообщения и зависит от числа уровней приоритета.

Идентификация запроса заключается в определении адреса приори­тетного источника запроса. В машинных интерфейсах получаемая при запросе адресная информация называется вектором прерывания. Послед­ний обозначает начальный адрес программы обслуживания прерывания от данного устройства.

Функция синхронизации определяет временное согласование процес­сов взаимодействия между функциональными устройствами системы.

Функция координации определяет совокупность процедур по орга­низации и контролю процессов взаимодействия устройств системы. Ос­новными операциями координации являются настройка на взаимодей­ствие, контроль взаимодействия, передача функций управления (на­стройки) .

В момент обращения одного устройства к вызываемому последнее может находиться в состоянии взаимодействия или в нерабочем состоя­нии. Поэтому процессы взаимодействия элементов системы могут иметь два уровня конфликтных ситуаций при доступе: к информационному каналу интерфейса и к устройству системы. Таким образом, операция настройки включает процедуры опроса и анализа состояния вызывае­мого устройства, а также передачи команд и приема информации сос­тояния. Последовательность операций настройки может быть различной и зависит от сложности алгоритмов работы функциональных устройств системы. В большинстве случаев алгоритмы настройки дополняются про­граммным способом посредством передачи кодов команд и состояний по информационной шине.

Операции контроля направлены на обеспечение надежности функцио­нирования интерфейса и достоверности передаваемых данных. В процес­сах асинхронного взаимодействия возможно возникновение так называе­мых тупиковых ситуаций, приводящих к искажениям кодовых комби­наций передаваемых данных. Поэтому в операции контроля входят раз­решение тупиковых ситуаций асинхронного процесса взаимодействия и повышение достоверности передаваемых данных. Контроль тупиковых ситуаций взаимодействия основывается на измерении фиксированного интервала времени, в течение которого должно поступать ожидаемое асин­хронное событие. Если за контролируемый интервал времени событие не поступает, то фиксируется неисправность. Операция контроля тупико­вых ситуаций получила название "тайм-аут".

Контроль передаваемых данных основывается на использовании кодов, построенных на известных принципах избыточного кодирования инфор­мации (циклические коды, код Хеминга, контроль кодов на четность и др.).

В целях повышения надежности управления и эффективности исполь­зования составных элементов системы необходима передача функции координации между функциональными устройствами. Эта операция пере­дачи управления характерна для интерфейсов с децентрализованной струк­турой управления.

Повышение надежности достигается резервированием управления (при отключении питания или отказе интерфейсного модуля, выполняю­щего функции управления интерфейсом).

Повышение эффективности использования оборудования системы достигается исключением дублирования дорогостоящих устройств путем доступа к ним с разделением времени двух и более контроллеров и ЭВМ.

Информационный канал интерфейса предназначен для реализации функции обмена и преобразования информации.

Основными процедурами функции обмена является прием и выдача информации (данных, состояния, команд, адресов) регистрами состав­ных устройств системы. Основные процедуры функции преобразования следующие: преобразование последовательного кода в параллельный и наоборот; перекодирование информации; дешифрация команд, адресов; логические действия над содержимым регистра состояния.

Приборные интерфейсы

Проектирование ИИС выполняется на основе модульного принципа построения, что привело к необходимости разработки правил, регламен­тирующих основные требования к совместимости этих блоков. Данный принцип впервые был применен в области ядерно-химических измерений, где требуется сложная аппаратура с высокой степенью автоматизации и активным использованием ЭВМ для контроля, управления, сбора и пер­вичной обработки данных. Поэтому именно в этой области впервые про­ведена стандартизация на правила сопряжения блоков.

В США для модулей (блоков) ядерной электроники с транзистор­ными схемами в 1966 г. был принят стандарт NIM (Nuclear Instrument Module). В нем установлены механические и электрические требования к блокам. Этот стандарт впоследствии получил распространение в странах Западной Европы. Указанный стандарт позволил осуществить обмен дан­ными модульных блоков с ЭВМ. Следует отметить, что такие понятия, как канал передачи данных и интерфейс, процесс обмена данными и др., были перенесены из вычислительной в измерительную технику.

Реализация принципов программного управления работой ИИС при­вела к развитию приборных систем; разработки интерфейсов для них появились на рубеже 60 - 70-х годов. Приборные интерфейсы служат для компоновки различных комплексов из стандартных измерительных приборов, устройств ввода-вывода и управляющих устройств.

Пример, фирма "Philips" разработала систему сопряжения Partyline - System, предназначенную для объединения в ИИС до 15 приборов. С помощью стандартного кабеля приборы последовательно соединяются друг с дру­гом (в произвольном порядке) и с ЭВМ. Для этого в каждом приборе имеются два разъема, соединенные между собой одноименными контак­тами. Каждый прибор содержит специальное устройство согласования из­мерительного оборудования с интерфейсом.

Построение интерфейса осуществляется по магистральному принци­пу для передачи цифровых сигналов. Информация передается по шести шинам: адресной (4 линии), измерительной (5 линий), управления (4 линии), а также по шинам синхронизации, диагностики операций и пере­дачи команд печати (все по одной линии). Стандартный кабель содержит шесть соединительных линий. Каждому прибору (измерительному блоку) присваивается свой адрес, представленный четырьмя разрядами двоичного кода. Передача данных производится в параллельно-последовательном ви­де (в двоичном коде). Под действием управляющих сигналов выходная информация последовательно передается с декад на линии интерфейса (измерительную шину). По этим же линиям передается кодированная информация, а также полярность измеряемых величин, режим работы и др.

Принцип работы приборного интерфейса следующий. При появлении информации от источника к приемнику работа обоих приборов координи­руется сигналами по линиям шины синхронизации. При этом цикл переда­чи информации состоит из четырех фаз:

·     источник выставляет информационный байт;

·     источник выставляет сигналы на шине синхронизации;

·     приемник принимает информацию,

·     приемник подготавливается к приему нового байта информации.

Приборный интерфейс имеет следующие ограничения: число прибо­ров не более 15, максимальная допустимая длина кабеля связи — 20 м, максимальная скорость передачи по магистрали - 1 Мбайт/с.

Логические уровни сигналов выбраны из расчета применения интег­ральных схем ТТЛ (высокий уровень — не менее 2,4 В, низкий — не более 0,8 В). Нагрузкой каждой сигнальной линии является внутреннее сопро­тивление каждого прибора не более 3 кОм, подключенное к шине + 5 В, и резистор 6,2 кОм, подключенный к шине "земля" схемы. Кодирование информации, как следует из конструкции магистрали, ведется по байтам. Схемы интерфейса программно-управляемых приборов выполняют­ся в двух вариантах:

в виде схем, реализованных и конструктивно оформленных внутри прибора как его составная часть, с установкой стандартного разъема на задней панели прибора; этот вариант применяется преимущественно в новых приборах, выпускаемых по стандарту МЭК;

в виде отдельно выполненных интерфейсных модулей, подключаемых к серийно выпускаемым или находящимся в обращении цифровым при­борам и устройствам; эти модули по существу являются адаптерами, т. е. переходными устройствами между выходом прибора и стандартным входом в магистраль приборного интерфейса.

Приборный   интерфейс   широко   применяется   как   в   отечественной промышленности, так и зарубежными фирмами при построении ИИС для автоматизации эксперимента. Из имеющихся непрограммируемых приборов, не подготовленных для совместной работы, приборный интер­фейс позволяет создавать ИС путем использования относительно неслож­ных устройств сопряжения — интерфейсных плат и микроЭВМ в качестве контроллера системы.

Машинные интерфейсы

Машинные (или системные) интерфейсы предназначены для объеди­нения составных блоков ЭВМ в единую систему. Тенденция развития машинных интерфейсов вызвана необходимостью значительного увели­чения процента операций ввода-вывода, номенклатуры и числа перифе­рийных устройств. В связи с этим существенно возросли требова­ния к унификации и стандартизации интерфейсов.

Характерной особенностью машинных интерфейсов является необ­ходимость их функционирования в нескольких режимах взаимодействия, влияющих на функциональный состав систем шин. Основными режима­ми взаимодействия являются ввод-вывод по программному каналу и по каналу прямого доступа в память.

Заключение

Повышение производительности труда человека – это заслуга механизации. Уже долгое время она облегчает  задачи человека, но не может полностью освободить его от ручного труда или присутствия на рабочем месте. Такие вещи, как оценка результатов контроля и решения вопроса о дальнейшей судьбе проверенной детали  - забраковать ее или отправить на доработку, были только в компетенции человека, что требовало затрат умственного труда и относятся к сфере управления производством. Очевидно, эти функции тоже можно упразднить, заменив человека механизмами способными самостоятельно решать данные проблемы. Переложение функций управления процессом с человека на автоматические устройства стало началом нового времени – эры автоматизации.

Стремительное развитие электроники и вычислительной техники оказалось предпосылкой для широкой автоматизации самых разнообразных процессов в промышленности, в научных исследованиях, в быту. Вершиной автоматизации стало появление автоматизированных измерительных и диагностических комплексов, которые позволили полностью заменить человека, как важного элемента любого производственного или научно-исследовательского процесса. Опираясь на возможности таких систем и комплексов, человечество поднялось на еще одну ступень в бесконечном стремлении взойти на вершину технического совершенства.

Список литературы.

1.   Цапенко М. П. Измерительные информационные системы: Структуры и алгоритмы, системотехническое проектирование. -  М.: Энергоатомиздат, 1985

2.   Кузьмичев Д. А.,  Радкевич И. А., Смирнов А. Д. Автоматизация экспериментальных исследований. -  М.: Наука, 1983.

3.   Государственная система приборов и средств автоматизации / Под ред. Г. И. Кавалерова. -  М.: ЦНИИТЭИ приборостроения, средства автоматизации и систем управления,1981.

4.   Хазанов Б. И. Интерфейсы измерительных систем. -  М.: Энергия, 1979.

5.   Алиев Т. М., Тер-Хачатуров А.А. Измерительная техника: Учебное пособие для техн. вузов. -  М.: Высш. шк.,1991.