6.9. Автоматизированные измерительные системы

Рис. 6.44. Централизованная измерительная система

Компьютеризованная измерительная система включает в себя компьютер, работающий «в реальном времени» или, как говорят, в режиме «on-line». Этот компьютер оборудован системой сбора данных для измерения физических сигналов и системой распределения данных для управления физическими процессами. В предыдущих разделах мы рассмотрели отдельные узлы и блоки такой измерительно-управляющей системы. Здесь же предметом изучения будет сама система в целом.

В самом общем случае компьютеризованная измерительная система может быть спроектирована двумя способами: как централизованная система и как децентрализованная система. На рис. 6.44 приведен пример системы с «централизованной» архитектурой. Мы называем эту систему централизованной, потому что части системы, ответственные за преобразование сигнала, используются для обработки всех сигналов последовательно. Поэтому соответствующая электроника размещается обычно в центральном компьютере. Достоинства этой системы очевидны: благодаря использованию частей, ответственных за преобразование сигнала, по принципу разделения времени стоимость системы низка. На рис. 6.45 показана измерительная система с «децентрализованной» архитектурой. В этой системе каждый канал содержит свои собственные узлы преобразования и только цифровой процессор работает в режиме временного мультиплексирования. Такой принцип позволяет производить оптимизацию в каждом канале независимо. Кроме того, блоки преобразования при такой архитектуре могут быть в несколько раз более медленными, чем те же узлы в централизованной системе. Следовательно, эти отдельные блоки преобразования будут менее дорогими. В такой системе преобразование можно выполнять локально в месте расположения источника сигнала, а это означает, что сигналы от измерительного источника к процессору можно передавать в цифровом виде (а не в виде аналоговых сигналов, которые очень чувствительны к помехам). Далее, используя микрокомпьютеры, каждый из каналов можно снабдить своим собственным препроцессором, разгружающим главный процессор. Соединение между процессорами в измерительной системе может быть реализовано в виде «шины». О системе с такой архитектурой говорят как о распределенной измерительной системе. Процессор может быть соединен также с другими, автономно работающими измерительными системами, не входящими в состав системы сбора данных. Часто это осуществляют с помощью той или иной стандартной шины (например, с помощью шины IEEE-488). На рис. 6.46 приведен пример такой системы.

Рис. 6.46. Распределенная измерительная система

Рис. 6.45. Децентрализованная измерительная система

Если в централизованной системе сбора данных сигналы в отдельных каналах сильно различаются по величине, то можно в центральную часть системы добавить программируемый усилитель. Тогда его коэффициент усиления будет изменяться процессором одновременно с изменением адреса канала. Однако переключение усилителя на новое значение коэффициента усиления потребует определенного времени и из-за этого максимальная скорость сканирования в системе понизится. Поэтому важно разбить каналы на группы с примерно одинаковым уровнем сигналов. Тогда можно будет программируемый усилитель переключать не каждый раз при обращении к новому каналу. Еще лучше воспользоваться субкоммутацией, предусмотрев, например, три входных мультиплексора (для работы с сигналами низкого, среднего и высокого уровня) и включив на выходе каждого из них свой усилитель с фиксированным коэффициентом усиления так, чтобы только после этого происходило окончательное мультиплексирование сигналов в один канал.

На вход одного из каналов системы часто подают «опорный сигнал» или «сигнал калибровки». Тогда можно обнаруживать уход коэффициентов передачи и запрограммировать цифровой процессор на коррекцию этих ошибок.

Нередко система сбора данных должна воспринимать также ряд двоичных входных сигналов, таких, например, как положение переключателей или выходные сигналы датчиков в системах обнаружения (пожара, перегрузки и других нежелательных событий). В системе на рис. 6.45 эти сигналы подаются прямо на отдельные входы цифрового мультиплексора. В системе на рис. 6.44 эти сигналы либо подаются на вход процессору независимо, либо через цифровой мультиплексор, обеспечивающий переключение между выходом АЦП и цифровым входом. Наконец, система сбора данных должна содержать также «блок синхронизации и управления», работающий под управлением компьютера. Этот блок вырабатывает управляющие сигналы, необходимые для надлежащего функционирования самой системы, на основе которых генерируются адреса каналов, выдаются команды перехода в режим хранения и команды преобразования, устанавливаются коэффициенты усиления и т. д.

Выбор между использованием независимой внешней шины и встроенной шинной организацией зависит от конкретного назначения измерительной системы. В больших проектах, например, при создании автоматизированной технологической системы, предпочтение отдают обмену сигналами по встроенной шине, при разработке которой принимают во внимание специальные условия эксплуатации. Однако в случае, когда возникает необходимость в измерительной системе, которой предстоит воспользоваться всего один раз, например, при испытаниях дорогой машины во время ее первоначального пуска, скорее следует применить стандартную внешнюю шину, к которой легко подключить имеющиеся измерительные приборы. В мире измерений и приборостроения для этой цели практически всегда применяется шина IЕЕЕ-488 (известная под несколькими различными названиями, в том числе под названием «канал общего пользования, КОП» на русском языке).

Шина IEEE-48S была разработана фирмой Hewlett-Packard в 1972 г. и была названа HPIB (Hewlett-Packard Interface Bus). Она известна также как GPIB (General Purpose Interface Bus). В 1976 г. эта шина была принята в Европе Международной электротехнической комиссией в качестве стандарта IEC 625-1 (МЭК 625-1), а в 1978 г. — американским Институтом инженеров по электротехнике и электронике в качестве стандарта IEEE-488. Результатом международной стандартизации стало то, что в настоящее время почти каждый заслуживающий внимания измерительный прибор снабжен шиной IEEE-488. Эта шина служит гибким интерфейсом между измерительными приборами, компьютерами и периферией (то есть такими внешними устройствами, как плоттеры, принтеры и т. д.).

Шина IEEE-488 является средством связи «коллективного пользования»: все устройства, включенные в систему, подключаются к шине параллельно. Поэтому шина, состоящая из 16 проводов или линий, подведена к каждому из участников. Шина допускает объединение в одну систему максимум 15 устройств. В принципе, каждое из входящих в систему устройств может вступить в (двустороннюю) связь с любым другим устройством и передать результат измерений или управляющие сигналы. Каждое устройство должно быть способно выполнять, по крайней мере, одну из следующих трех функций: быть «источником данных», «приемником данных» или «контроллером» (управляющим устройством). «Источник» передает по шине данные всем подключенным к ней устройствам, а «приемник» принимает данные из шины. Многие приборы могут быть как источниками, так и приемниками; в режиме приема программируемый прибор получает предназначенные ему управляющие сигналы, а в режиме выдачи данных передает свои результаты измерений. В простейшем случае система состоит из одного источника, соединенного с одним приемником. При этом данные передаются в одном направлении. Источник вручную устанавливается на работу в режиме «только выдача данных», а приемник — на работу в режиме «только прием». Таким образом можно, например, подключить измерительный прибор к плоттеру или самописцу.

Упомянутый выше «контроллер» управляет шиной, указывая, какому устройству быть источником и каким устройствам быть приемниками. Контроллер может также установить одно или несколько устройств в какой-то другой режим работы, в котором это устройство, как измерительный прибор, будет выполнять функцию, отличающуюся от уже указанных.

Сигналы, передаваемые по 16 линиям шины IEEE-488, имеют уровни, принятые в транзисторно-транзисторной логике (ТТЛ-сигналы), и вырабатываются схемами «с открытым коллектором». Совокупность всех линий разбивается на три подшины, каждая из которых выполняет свою функцию:

a. Шина ввода/вывода данных (DIO). Эта шина состоит из восьми линий. Данные представлены параллельно передаваемыми битами и последовательно передаваемыми байтами. Передача данных по шине DIO осуществляется асинхронно согласно процедуре, называемой «квитированием», когда ее участники обмениваются «квитанциями».

b. Шина квитирования. Эта шина состоит из трех линий, сигналы на которых в совокупности управляют процедурой передачи данных по шине DIO. Только после того, как самый медленный участник закончит чтение и прием данных, шина освобождается для выполнения следующего действия. Недостаток этого способа заключается в том, что в случае, когда один из участников не в состоянии выдать сигнал «готовности», шина остается заблокированной для дальнейшего использования. Поэтому контроллер должен, спустя заданное «время ожидания», восстановить нормальный решим на шине.

c. Шина управления. Эта шина состоит из 5 линий, используемых для того, чтобы обеспечить упорядоченную передачу сообщений по шине.

По шине данных передаются не только собственно данные (результаты измерений, управляющие сигналы), но также адреса участников, общие команды и байты, выражающие состояние шины. Тип данных, передаваемых по шине DIO, определяется линией ATN («Внимание») шины управления. Если сигнал на линии ATN имеет логическое значение «истина», то это означает, что на шине данных находится адрес или общая команда и все участники должны ее принимать. Когда сигнал на линии ATN имеет значение «ложь», на шине данных находятся данные, относящиеся только к тем устройствам, которые ранее были объявлены источником и приемниками. Важно отметить, что на всех линиях шины квитирования и шины управления используется отрицательная логика: значению «истина» (логическая единица) соответствует низкий уровень (ТТЛ-) напряжения, а значению «ложь» (логический ноль) — высокий уровень (ТТЛ-) напряжения.

Рис. 6.47. Временная диаграмма запирающей себя процедуры квитирования, которой сопровождается передача данных по шине IEEE-488. В пределах отрезка времени А источник удерживает данные на шине DIO. Интервал В используется для чтения этих данных. В течение интервала времени С участник выполняет прочитанную команду

Шина квитирования состоит из трех линий, сигналы на которых имеют заранее установленное значение: DAV («Данные готовы»), NRFD («Не готов к приему данных») и NDAC («Данные не приняты»). Устанавливая единичное значение сигнала на линии DAV (низкий уровень), источник показывает, что данные на линиях шины DIO готовы. Источник не может изменять эти данные, пока сигнал на линии NDAC не примет нулевое значение (высокий уровень). Это произойдет только после того, как все приемники прочтут и примут данные. Когда сигнал на линии NRFD имеет единичное значение (низкий уровень), это означает, что все приемники:

а) видят данные, удерживаемые на шине DIO (при единичном значении сигнала DAV),

б) готовы к чтению этих данных.

Сигнал на линии NDAC сохраняет единичное значение (низкий уровень) во время квитирования, пока все приемники не прочтут и не примут данные; в течение всего этого времени источник не может ни изменить, ни удалить данные с линий шины DIO. На рис. 6.47 приведена временная диаграмма как пример процедуры квитирования. Как видно, процедура квитирования «запирает себя»: она ждет, пока самое медленное из устройств не будет готово к следующему шагу. Сигналы NRFD, DAV и NDAC синхронизированы по отношению друг к другу так, как это указано стрелками на рис. 6.47. Две линии NRFD и NDAC действуют по принципу «монтажное ИЛИ», так что каждый из участников может видеть состояние любого другого устройства, подключенного к шине. Это показано на рис. 6.48. Такой способ обеспечивает пребывание системы в режиме ожидания до тех пор, пока самый медленный из приборов не будет готов и не объявит об этом сигналами «готов к приему данных» и «данные приняты», выдав на линии NRFD и NDAC нулевое значение.

Рис. 6.48. Каждый из участников подключается к линиям NRFD и NDAC шины квитирования по правилу «монтажное ИЛИ». Если один или большее число участников еще не готовы читать данные, то соответствующие ключи замкнуты. Таким образом, любое из устройств в состоянии удерживать единичное значение на линии NRFD шины IEEE-488 (низкий уровень), несмотря на то, что другие участники могут быть готовы (их ключи разомкнуты). Когда данный участник является источником, он устанавливает пулевое значение на линии NFRD перед тем, как выдать сигнал DAV

Одна из линий шины управления обозначается IFC («Очистить интерфейс»); контроллер устанавливает единичное значение сигнала на этой линии (низкий уровень), чтобы привести всю систему в желаемое начальное состояние. Сигнал на другой линии, обозначаемой SRQ («Запрос обслуживания»), может быть установлен в единичное значение участником (низкий уровень), когда он хочет привлечь к себе внимание или прервать текущую работу системы. Линии REN («Дистанционное управление») используется для того, чтобы произвести выбор между двумя альтернативными источниками управляющих воздействий. Посредством сигнала на линии EOI («Конец или подтверждение») либо отмечается конец последовательности байтов данных, либо — совместно с сигналом на линии ATN — устанавливается порядок, в котором участники передают свои данные. Функция линии ATN была описана выше.

Здесь описан только принцип действия шины IEEE-488. Необходимость в более подробных сведениях зависит от конкретных устройств, включенных в систему. Не всем устройствам нужно реагировать на сигналы во всех линиях шины. Это определяется теми измерениями, которые выполняются соответствующими устройствами.

Наконец, следует указать, что между стандартами имеются небольшие различия. Новый стандарт IEEE-488.2 (1987) предусматривает большую свободу, чем старый стандарт, одновременно удаляя неоднозначности старого стандарта. В 1990 г. был принят один стандартный набор команд для программирования всех приборов, оснащенных шиной IEEE-488.2. Его называют системой стандартных команд для программируемых приборов (SCPI). Системой SCPI устанавливаются форматы данных, сообщение о статусе, команды общего конфигурирования, обработка ошибок и команды, относящиеся к отдельным устройствам. В прошлом производители измерительной аппаратуры в большинстве случаев предусматривали выполнение этих функций по-разному, что делало программирование объединенных шиной приборов сложным и долгим. Системой же SCPI предусматривается, например, измерение напряжения любым предназначенным для этого оборудованием всего лишь по команде MEAS:VOLT?