TSAiU_Lektsia_12
.pdfЛекция №12. Автоматизированные системы на основе унифицированных магистрально-модульных интерфейсов
Под стандартом на интерфейс понимают совокупность условий, которые обеспечивают возможность соединения функциональных элементов определенной системы в различного вида структуры. Принципы построения таких интерфейсов – унификация информационных, энергетических и конструктивных связей элементов.
Унификация конструктивных связей элементов включает унификацию разъемных и кабельных соединений, конструкций для механической защиты и размещения элементов.
Унификация энергетических связей включает унификацию значений питающих напряжений, допустимые отклонения напряжений от номинальных и допустимую токовую нагрузку.
С целью унификации информационных связей элементов автоматизированных систем (АС) устанавливается:
Вид и количество сигналов, передаваемых через интерфейс;
Пространственно-временные диаграммы передачи сигналов;
Система кодирования сигналов;
Допустимое расстояние передачи сигналов.
По виду сигналы, передаваемые через интерфейс делятся на:
1.Сигналы данных — несут информацию о состоянии объекта автоматизации или служат для управления объектом автоматизации. Число линий данных: 8, 16, 24, 32, 64.
2.Статусно-управляющие сигналы – несут информацию о состоянии компонентов АС или предписывают этим элементам подготовку к выполнению, начало выполнения или извещают о завершении операций.
3.Адресные сигналы служат для установления связи центрального устройства с одним из элементов.
Для кодирования сигналов, передаваемых через интерфейс чаще всего используется код международного института стандартов ISO 7bit, а также коды двоичные, двоично-десятичные, шестнадцатеричные и т.д. Стандарт как правило не накладывает ограничения на систему кодирования сигналов, т.к. считается что если наложить какие-то ограничения, обязательно найдется прибор, который будет нельзя подключить к системе.
Пространственно-временные диаграммы передачи сигналов определяют процедуру взаимодействия компонентов подсистемы, существует 2 вида процедур взаимодействия:
1.Синхронное взаимодействие;
2.Асинхронное взаимодействие.
При синхронном взаимодействии обмен данными выполняется за фиксированный интервал времени. Иными словами, источники и приемники сообщений должны иметь возможность приема информации в указанный интервал времени, источники приема должны иметь одинаковое быстродействие.
При асинхронном взаимодействии (hand-shake) передающий модуль сообщает о готовности данных для передачи, затем принимающий сообщает, что данные приняты.
Асинхронный обмен более универсален, т.к. источники и приемники могут иметь разное быстродействие. Синхронный обмен обладает существенно большей помехоустойчивостью. Преимущества стандартных интерфейсов при производстве:
1. Единообразие технологии при многообразии типов изделий.
1
2. Возможность непрерывного наращивания номенклатуры по мере необходимости. Преимущества при эксплуатации:
1.Упрощается эксплуатация и обслуживание систем;
2.Упрощается реорганизация систем;
3.Возможность использования опыта большого количества разработчиков и пользователей таких систем.
12.1Модульная система электронного оборудования КАМАК
Интерфейс КАМАК (CAMAC) – модульная система электронного оборудования, объединенная единым интерфейсом и позволяющая проводить автоматические измерения, сбор данных и управление объектом или процессом. Имеет магистрально-модульный принцип построения и программный способ управления.
12.2Конструктивная и энергетическая совместимость элементов системы
Сцелью обеспечения конструктивной совместимости стандарт определяет конструкции двух элементов:
1.Крейт (каркас);
2.Вставной модуль.
Крейт (каркас) конструкив со стандартными внутренними размерами окна (ширина: 480 мм, высота: 200.9 мм, глубина: 360 мм). Содержит по 25 верхних и нижних направляющих, по которым в него вставляются модули. В тыльной части крейта расположены 86-контактные розетки разъемов. Пара направляющих и розетка разъема образуют установочную станцию. Левые станции (1-24) называются
– нормальные, правая станция (25) – управляющая (распайки их различаются). Разъемы крейта соединяются определенным образом многопроводным каналом связи – магистралью крейта.
480
200.9 |
Магистраль |
|
1 |
2 |
24 |
25 |
Рис. 12.1 Конструкция крейта
Вставной модуль представляет собой блок (высота: 221.5 мм, глубина: 305 мм, ширина лицевой панели: 17,2*К мм, где К=1, 2, 3, ..), состоящий из передней (лицевой) панели, на которой расположены органы ручного управления и связи с объектом; верхнего и нижнего ребер, которые скользят по направляющим установочной станции крейта, и монтажной платы с 86-контактной вилкой разъема. Минимальная ширина передней панели 17,2 мм равна расстоянию между соседними установочными станциями.
2
Лицевая панель,
Вилка
разъема
Плата
221.5
305
Рис. 12.2. Конструкция вставного модуля
Все модули КАМАК делятся на функциональные и управляющие. Функциональные модули выполняют определенные функции, необходимые для управления объектом, в соответствии с сигналами, поступающим по магистрали. Состав и расположение функциональных модулей - произвольное. Управляющий модуль устанавливает непосредственную связь ЭВМ с крейтом и управляет работой функциональных модулей. Управляющий модуль в крейте (как правило, он один) всегда занимает 25 управляющую станцию и хотя бы одну из нормальных станций (часто 24).
С целью обеспечения энергетической совместимости указываются напряжения источников питания: ±6 В для источника питания: +6 В – ТТЛ, -6 В – ЭСЛ. Для питания используется 5 В, а 1 В гасится на специальных развязывающих цепочках внутри модулей.
Для питания +5 В используется следующая схема:
Рис. 12.3. Схема для питания +5 В
±24 В для питания транзисторов. В крейте предусмотрены дополнительные источники питания: ±12 В для питания интегральных микросхем. Напряжение ±12 В получают с помощью конвертора напряжения.
Общая мощность в крейте не должна превышать 200 Вт, в одной станции – 8 Вт.
3
Информационная совместимость элементов системы по характеристикам сигналов.
Аналоговые сигналы должны лежать в диапазоне 0’5 В – для однополярных сигналов, – 5 ’ +5
Вдля двуполярных сигналов.
Логические сигналы: ТТЛ ИС – для сигналов, передаваемых по несогласованным линиям, ЭСЛ ИС – для согласованных сигналов 50 Ом.
Внутренние сигналы, передаваемые по магистрали крейта: ТТЛ ИС.
|
5.5 В |
|
5.5 В |
|
―0‖ |
―0‖ |
|||
|
|
|||
|
2.4 В |
|
2 В |
|
|
|
|
|
1.5 В |
|
|
0.8 В |
|
―1‖ |
|
―1‖ |
||
|
|
|
|
||
|
|
0 В |
|
|
0 В |
|
|
|
|
||
Рис. 11.4. Передающий каскад |
Рис. 11.5. Приемный каскад |
||||
12.3Магистраль крейта КАМАК
Магистраль крейта КАМАК служит для обмена информацией между контроллерами и функциональными модулями. По типу соединений линии магистрали делятся на 2 типа:
1.Сквозные линии, объединяющие одноименные контакты всех разъемов с 1 по 25 за исключением линий R, W. Линии R, W объединяют одноименные контакты всех разъемов только нормальных станций.
2.Индивидуальные линии, объединяющие определенный контакт нормальной станции с определенным контактом управляющей станции.
Рис. 11.6. Магистраль крейта КАМАК
По магистрали крейта передаются адреса, команды, данные, статусная информация и напряжение питания. Группа линий связи, предназначенная для сигналов одинакового функционального назначения, называется шиной.
4
12.4Методика построения программного обеспечения в автоматизированных системах на основе
унифицированных магистральномодульных интерфейсовчение
Автоматизированные системы сбора данных и управления объектами и процессами в научных исследованиях и промышленности, чаще всего, строятся на основе унифицированных магистральномодульных интерфейсных систем (ММС) (в частности КАМАК) и современных средств вычислительной техники.
Прикладное программное обеспечение для подобных систем делится на 2 категории:
-средства для управления объектом и сбора данных в реальном времени, как характерную для подобных систем, часть программного обеспечения;
-средства обработки информации, ее хранения, отображения и документирования, как традиционные типовые функции, присущие ЭВМ.
АС не накладывают на реализацию ПО 2-го типа особых требований.
Программные средства реального времени принято разделять на 4 уровня. Каждый из уровней решает свой круг задач.
12.5 Аппаратно-ориентированное программное обеспечение
Аппаратно-ориентированное ПО должно содержать набор процедур, обеспечивающих управление адаптером или контроллером, т.е. элементом, устанавливающим взаимодействие ЭВМ с интерфейсом ММС на аппаратном уровне.
Аппаратно-ориентированное ПО обеспечивает:
—прием или передачу данных по магистрали интерфейса в соответствии с протоколом обмена данными интерфейсной системы (синхронный или асинхронный),
—установку в "1" или сброс в "0" любых линий управления интерфейсом;
—чтение статусных линий магистрали интерфейса.
Объем аппаратно-ориентированного ПО определяется аппаратной реализацией адаптеров, которые принято делить на 2 вида:
—Адаптеры с преимущественно программной реализацией функций управления ММС. Строятся такие адаптеры на основе универсальных интерфейсных БИС.
—Адаптеры с преимущественно аппаратной реализацией функций управления ММС. Строятся такие адаптеры на основе специализированных интерфейсных БИС.
Для адаптеров, с преимущественно аппаратной реализацией функций управления, объем аппаратноориентированного ПО, как правило, незначителен, поскольку большинство задач реализовано не на программном, а на аппаратном уровне.
Разработчик аппаратно-ориентированного ПО должен детально разбираться в элементах аппаратной реализации адаптера, возможностях его работы в реальном времени, т.е. возможностях применения различных методов обмена данными между ЭВМ и компонентами интерфейса.
Для эффективного использования ресурсов ЭВМ, аппаратно-ориентированное ПО часто пишется на машинно-ориентированных языках программирования.
Аппаратно-ориентированное ПО не имеет самостоятельного значения, а служит базой для разработки следующего уровня ПО.
5
12.6Интерфейсно-ориентированное программное обеспечение
Второй уровень — интерфейсно-ориентированное ПО включает набор процедур, обеспечивающих управление любым элементом системы в терминах типовых алгоритмов управления интерфейсом.
Интерфейсно-ориентированное ПО строится на основе аппаратно-ориентированного ПО. Основным вопросом при разработке интерфейсно-ориентированного ПО является определение состава процедур управления интерфейсом, обеспечивающих все возможности интерфейса АС. Интерфейсно-ориентированное ПО не должно ограничивать возможности интерфейса, с одной стороны, а с другой, должно быть понятно широкому кругу пользователей.
От разработчика интерфейсно-ориентированного ПО требуются знания интерфейса ММС, для которого оно разрабатывается.
В качестве примеров можно привести рекомендации Международной электротехнической комиссии по разработке интерфейсно-ориентированного ПО для интерфейса КАМАК — МЭК-713 или рекомендации фирмы Hewlett-Packard для приборного интерфейса HP-IB.
12.7Приборно-ориентированное программное обеспечение
Следующий уровень — приборно-ориентированное ПО должно включать набор процедур для управления определенными типами интерфейсных модулей или приборов.
Приборно-ориентированое ПО позволяет реализовать различные алгоритмы управления приборами системы специалисту, мало знакомому с интерфейсом, используемым в автоматизированной системе.
ПО этого уровня используется для реализации различных алгоритмов управления объектом в рамках некоторого перечня приборов.
Разработчик ПО и пользователи АС должны знать возможности приборов системы по переработке информации (их режимы работы, диапазоны сигналов на входах и выходах), возможности дистанционного управления приборами.
12.8Интегрированная среда разработчика
Самый высокий уровень ПО связан с применением интегрированной среды разработчика для приборно-модульных автоматизированных систем.
Главным принципом, положенным в основу построения интегрированной среды разработчика стал тезис "чем меньше программирования, тем лучше".
Это привело к разработке функционально-полного набора процедур для всех ресурсов автоматизированной системы (включая ЭВМ и интерфейс).
Подобная среда позволяет в основном с помощью «мышки»:
—создавать программы управления, сбора и обработки данных в самых разнообразных автоматизированных системах, используя многочисленные библиотеки: драйверов, библиотеки обработки данных и представления результатов исследования;
—быстро создавать удобный графический интерфейс пользователя, используя типовые функциональные панели;
—провести любой эксперимент в диалоговом режиме;
—запомнить программу, которая создается автоматически.
Пользователю достаточно быть специалистом в своем деле - испытателем, метрологом и т.д.
В качестве примеров подобных систем приведем разработки фирмы National Instruments: LabView, LabWindows CVI, Lookout (программирование промышленных контроллеров), BridgeVIEW (разработки в области АСУТП).
6
Все продукты используют графический язык программирования G (джей), который обладает гибкостью, не имеющей аналогов, особенно важной для разработки автоматизированных систем.
В LabVIEW программы называются виртуальными инструментами (VI).
Начинается разработка программы с построения пользовательского интерфейса (лицевой панели прибора), который дает возможность интерактивного управления автоматизированной системой. Конструирование лицевой панели сводится к рисованию картинки.
Для рисования среда программирования предоставляет различные индикаторы и управляющие элементы.
Остается только выбрать их из меню и расставить на панели. Вы можете изменять цвет, размер, метку каждого элемента.
Элементы лицевой панели могут использоваться для управления АС как до запуска программы на выполнение, так и во время выполнения.
Управление выполняется, путем изменения положения переключателей и регуляторов, поворачивая ручки управления мышкой или вводя значения с клавиатуры.
Таким образом, панель "оживает", обеспечивая обратную связь с АС.
Для описания функционирования системы строится блок-диаграмма - привычный элемент для любой технической разработки.
Блок-диаграмма является исходным кодом программы. Функциональные элементы блок-диаграммы выбираются из меню.
Это могут быть как блоки элементарных алгебраических операций, так и сложные функции сбора и анализа данных, сетевые операции и файловый ввод/вывод, обмен данными с жестким диском. Библиотеки подпрограмм LabVIEW включают:
—статистику,
—решение уравнений,
—регрессионный анализ,
—линейную алгебру,
—алгоритмы генерации сигналов,
—анализ сигналов в частотной и временной области,
—оконные процедуры спектрального анализа и цифровую фильтрацию.
Компоненты блока диаграмм соединяются с помощью проводников для обеспечения передачи данных от одного блока другому.
Таким образом, решается требующая немало времени и усилий при обычном подходе задача трансформация идеи разработчика в код программы.
LabVIEW имеет обширный набор средств для тестирования и отладки системы. Окно подсказки (Help Window) описывает каждый блок и его соединения.
Вокне Error Window, LabVIEW немедленно проинформирует вас о неправильных соединениях в списке ошибок.
Вассортимент отладочных средств:
•входят подсветка выполнения блок-диаграммы,
•пошаговый режим,
•прерывания и индикация значений.
Таким образом, вы можете производить трассировку и исследование выполнения программы непосредственно на блок-диаграмме.
LabVIEW является модульной средой по своей структуре.
Любая программа может использоваться в блок-диаграмме другой программы как подпрограмма.
7
Разбив свою программную систему на подпрограммы, вы можете независимо разработать и интерактивно протестировать эти подпрограммы, и тут же использовать их как узлы для построения программы более сложного уровня.
Модульная иерархия позволяет эффективно разрабатывать, модифицировать, заменять и комбинировать программы для удовлетворения изменяющихся требований конкретного приложения. В задачах реального времени, скорость выполнения программы является критичной.
LabVIEW — единственная графическая среда программирования с компилятором, который генерирует оптимизированный код.
Скорость выполнения LabVIEW программ близка к скорости выполнения компилированных Си программ.
Поэтому, используя данный графический язык, можно увеличить производительность создания программ без снижения скорости их выполнения.
Программа Application Builder выполняет преобразование VI в обычную исполняемую *.ехе программу, которая запускается и выполняется самостоятельно, как любая Windows программа.
Как правило, любой программный пакет покрывает только один аспект задачи построения ПО АС, но не решает все проблемы — сбор данных, их анализ, представление и управление.
LabVIEW предоставляет все необходимые средства, объединенные единой методологией, поэтому вряд ли понадобится покидать среду LabVIEW при реализации всего комплекса задач построения ПО в АС.
Знакомство с различными уровнями ПО позволяет в дальнейшем правильно ориентироваться в решении практических задач разработки прикладного программного обеспечения автоматизированных систем.
8