Geum.ru

В. Н. Шивринский проектирование информационных систем учебно-методический комплекс

Вид материалаУчебно-методический комплекс

Содержание


Структуры измерительной части СПС
Курсовой проект
Ржевская Наталья Ивановна
Подобный материал:
1   2   3   4   5   6   7   8   9   10   11
Глава 9. Субкомплексы

В самом общем виде структура субкомплекса представлена на рис.9.1. В одном конструктиве (приборном блоке) субкомплекса размещаются группы средств получения, обработки и хранения, системного обмена, оперативно-диспетчерское оборудование (ОДО). Эти средства объединены по магистрально-модульному принципу, имеют общий источник сетевого электропитания и могут (благодаря наличию средств автономного управления и отображения информации, а также выходу на стандартный интерфейс) использоваться как в автономном режиме, так и в составе ИВК, ИИС и систем управления. В зависимости от назначения группа средств получения информации может иметь различный состав и характеристики.



Рис.9.1. Обобщенная структура субкомплекса


Групповые нормирующие преобразователи

Функции, выполняемые групповыми нормирующими преобразователями (ГНП), заключаются в сборе и функциональной обработке первичной информации от однотипных (или разделенных на группы) первичных преобразователей физических величин в электрические сигналы. Число каналов, которые может обслужить один ГНП, определяется возможностями элементной базы и в современных ГНП не превышает 100 на один субкомплекс.

Наличие микроЭВМ в ГНП предопределяет программное выполнение функциональной обработки информации, т. е. определение (расчетным или табличным методом) значений измеряемых физических величин по полученным кодированным значениям электрических сигналов. Поэтому задачей средств получения информации в ГНП является обеспечение необходимого количества таких значений с необходимой скоростью и точностью.

Рассмотрим возможные структуры измерительной части ГНП. На рис.9.2 показана структура, содержащая по одному нормирующему преобразователю (НП) на каждую группу однотипных датчиков, первичный (К1) и вторичный (К2) коммутаторы и один АЦП.



Рис.9.2. Структура измерительной части субкомплекса

с одним НП на группу однотипных датчиков


Преимуществом такой структуры является ее простота, возможность контроля и коррекции измерительного тракта путем подключения источника образцовых сигналов (ИОС) к одному или нескольким контрольным каналам К1i. В том случае, когда используется всего один тип датчиков, исключается применение коммутатора К2.

Недостатком структуры рис.9.2 является необходимость предъявления специальных требований к элементам К1 (по количеству коммутируемых линий, остаточным параметрам, качеству изоляции).

Другой вариант структуры, показанный на рис.9.3, предусматривает установку НП в каждый измерительный канал. Достоинством такой структуры является возможность обеспечения высокой скорости опроса каналов.

Современная технология гибридных ИМС и микросборок позволяет выполнить группу из 8-16 однотипных НП для преобразования сигналов с термопар, термометров сопротивления, тензометров, тензодатчиков в приемлемых для ГНП габаритах.



Рис.9.3. Структура измерительной части

субкомплекса с НП в каждом канале


Третий вариант структуры ГНП (рис.9.4) предусматривает использование автономных модульных мультиплексоров сбора измерительной информации (МХ) с определенного типа датчиков.



Рис.9.4. Структура измерительной части субкомплекса

на основе модульных мультиплексоров МХ

Каждый МХ имеет в своем составе все необходимые средства для нормализации, коммутирования и аналого-цифрового преобразования. Такой модуль может быть использован также в любом другом модульном КПИ при условии обеспечения совместимости по магистрали. В перспективе в состав МХ может быть введена однокристальная микроЭВМ для выполнения функционального преобразования.

Субкомплексы с программируемой структурой

В общем виде объект испытаний, оснащенный при необходимости преобразователями неэлектрических величин в электрические и электрических величин в неэлектрические воздействия, представляет собой совокупность электрических входов и выходов.

Испытательная процедура заключается: 1) в выдаче на соответствующие входы заранее известной совокупности электрических воздействий, изменяющихся по известным законам; 2) в измерении на соответствующих выходах электрических величин; 3) в первичной обработке полученной информации, заключающейся в функциональных преобразованиях, коррекциях; 4) вычислении (при косвенных измерениях) совокупностей значений измеряемых величин; 5) вторичной обработке измерительной информации с целью получения обобщенных результатов испытательной процедуры и представления этих результатов в требуемой форме.

Комплексная испытательная процедура - это совокупность различных испытательных процедур, имеющая конечной целью получение всех необходимых сведений об объекте на данном этапе испытаний.

В зависимости от количества входов и выходов объекта, скорости протекания процессов, объемов первичной измерительной информации, объемов и сложности вторичной обработки, а также характера и объемов представления результатов, выполнение комплексных испытательных процедур возможно на уровне автономных субкомплексов с программируемой структурой (СПС), на уровне ИВК, на уровне ИИС.

Рассмотрим выполнение испытательной процедуры во времени, по совокупности входов и выходов объекта. Работа однопроцессорного устройства происходит путем последовательного выполнения элементарных операций, синхронизированных с тактовой частотой задающего генератора. Следовательно, состояние шин магистралей изменяется через некоторые конечные промежутки времени.

Любая измерительная процедура занимает во времени определенный конечный интервал. Длительность такого интервала зависит как от скорости и количества операций, выполняемых на магистралях и внутри процессора, так и от скорости выполнения операций аналоговыми и цифровыми устройствами измерительной части. Ввиду того, что тактовая частота задающего генератора достаточно велика, время выполнения программ управления и обмена информацией, первичной обработки, иногда существенно меньше, чем время выполнения измерительных операций.

Кроме того, сам алгоритм испытательной процедуры может допускать наличие некоторых временных задержек между отдельными действиями СПС (при медленно протекающих процессах). В этих случаях можно условно говорить об одновременной работе устройств СПС и о выполнении испытательной процедуры в реальном масштабе времени.

В других случаях скорость работы измерительной части и процессора соизмеримы, а ход испытательной процедуры требует получения или выдачи информации с максимальной возможной скоростью.

Для реализации такой работы необходимы два условия. Первое - это разделение времени выполнения процедуры на три этапа: подготовительный, основной и результирующий. На подготовительном этапе осуществляется синтез структуры измерительных трактов СПС и подготовка всех его устройств к работе в режиме максимального быстродействия. На основном этапе происходит измерение или выдача мгновенных значений сигнала, количество и темп выдачи которых определяются алгоритмом испытательной процедуры. На результирующем этапе производится первичная обработка массива полученных данных и передача результатов во внешнюю часть для вторичной обработки.

Вторым условием эффективной реализации возможностей СПС на основном этапе является организация в составе СПС таких аппаратных и программных средств, которые позволили бы максимально использовать их быстродействие. Например, путем организации прямой связи между цифровыми частями некоторых устройств и ОЗУ через канал прямого доступа. Возможен также вариант с созданием модулей, имеющих буферные ОЗУ.

Рассмотрим возможные режимы работы СПС по совокупности его входов и выходов. Распространенными являются три режима испытаний: 1) режим, когда требуется измерение одной или нескольких электрических величин на выходе (выходах) объекта; 2) режим, когда требуется выдача одной электрической величины на конкретный вход объекта (значения остальных входных величин при этом фиксированы), информация с выхода (выходов) объекта поступает в виде дискретных сигналов; 3) режим, когда требуется выдавать на конкретный вход объекта дискретный сигнал и измерять значения выходных величин на одном или нескольких выходах объекта.

Для выполнения всех трех типов испытательных процедур достаточно иметь в измерительной части СПС один вход, обеспечивающий возможность измерения всей номенклатуры электрических величин, и один выход. Сама специфика построения СПС предполагает использование методов измерения и выдачи изменяющихся во времени сигналов, основанных на обработке совокупностей мгновенных значений сигнала по известным формулам. Применение этих методов дает возможность измерения и выдачи большого числа величин, характеризующих как детерминированные, так и случайные сигналы.

Другой задачей является измерение и выдача с повышенной точностью параметров сигналов постоянного тока при наличии промышленных помех.

Третьей задачей является измерение и выдача параметров сигналов частотно-временной группы.

Структуры измерительной части СПС

Возможны различные пути реализации структуры измерительной части СПС. Первый заключается в использовании функциональных узлов, каждый из которых выполняет одну определенную функцию.

Любая измерительная структура при этом состоит из двух последовательно соединенных устройств: при измерении - нормирующего преобразователя НПi и аналого-цифрового преобразователя АЦПj, при выдаче - цифроаналогового преобразователя ЦАПj и выходного формирующего устройства ВУi. Функциональные узлы соединены с шиной внутреннего интерфейса через свои интерфейсные части И, ЦАП и АЦП имеют выход на шину прямого доступа ШПД (рис.9.5).



Рис.9.5. Фрагмент структуры измерительной части СПС

на отдельных функциональных узлах


Функции коммутатора в данной структуре выполняют ключи, установленные на входах и выходах ВУi и НПi. Организация измерительной структуры сводится к включению необходимых НПi и ВУi (все остальные НП и ВУ при этом должны быть отключены).

Достоинствами структуры являются: 1) независимая работа по входу и выходу, 2) простота организации конкретных измерительных структур, 3) относительная простота реализации аналоговых частей отдельных функциональных узлов, 4) простота управления функциональными узлами с магистрали.

Недостатками являются: 1) большое количество независимых функциональных узлов и их интерфейсных частей, 2) аппаратная избыточность за счет того, что в отдельных группах функциональных узлов используются однотипные фрагменты, состоящие из одних и тех же компонентов.

Второй вид измерительных структур СПС по принципу построения не отличается от первого. Особенность заключается в уменьшении (по сравнению с рис.9.5) числа функциональных узлов за счет создания модулей, способных выполнять несколько функций. Программирование такого модуля на выполнение заданной функции производится подачей соответствующей команды по магистрали. По этой команде в аналоговой и цифровой части модуля происходит соответствующая коммутация.

Аналоговые элементы обеспечивают необходимые функции преобразования и нормализации. Цифровая часть вырабатывает соответствующие внутренние сигналы, реализующие алгоритм работы заданной функции. Сохраняется независимый характер работы по входу и выходу. Нагрузка магистрали уменьшается за счет сокращения числа устройств, подключенных к ней. Аппаратные затраты в целом могут оказаться меньше, чем при реализации структуры рис.9.5, за счет замены однотипных фрагментов на один, более сложный фрагмент.

На рис.9.6 показан один из возможных вариантов таких СПС. Рассмотрим основные функциональные узлы структуры.

ПНПuir  -  программируемый нормирующий преобразователь напряжения, тока и сопротивления в унифицированный сигнал.

ПВУui  -  программируемое выходное устройство, формирующее напряжение и ток из унифицированного сигнала.

ПАЦПa  -  программируемый АЦП для измерения амплитуды унифицированного сигнала.

ПЦАПa  -  программируемый ЦАП для выдачи амплитуды унифицированного сигнала.

ПАЦПft  -  программируемый АЦП для измерения частоты или периода входного сигнала (напряжения).

ПЦАПft  -  программируемый ЦАП для выдачи частоты и периода выходного сигнала (напряжения).

Достоинствами структуры рис.9.6 являются независимая работа по входу и выходу, простота организации конкретных измерительных структур, малое число функциональных узлов.

К недостаткам можно отнести большие (по сравнению с рис.9.5) аппаратные затраты на реализацию каждого функционального узла, а также некоторое снижение быстродействия при выполнении испытательных процедур за счет потерь времени на перепрограммирование функциональных узлов.



Рис.9.6. Структуры измерительной части СПС

на программируемых функциональных узлах


Третий вид измерительных структур по принципу реализации отличается от первых двух тем, что функциональный узел не выполняет конкретную задачу аналогового, аналого-цифрового или цифроаналогового преобразования, а является лишь «строительным материалом», из которого при помощи коммутатора составляется необходимая измерительная структура. Обобщенная структура измерительной части СПС такого типа показана на рис.9.7.



Рис 9.7. Обобщенная структура измерительной части

СПС на структурных функциональных узлах

Структура содержит набор функциональных узлов, интерфейсные части, внешний коммутатор Кн, а также внутренний коммутатор Кв, при помощи которого происходит соединение отдельных фрагментов в измерительные структуры.

На рис.9.8 показана структура СПС, использующая набор элементов из 11 фрагментов.



Рис.9.8. Измерительная часть СПС

на структурных функциональных узлах


Рассмотрим основные структурные функциональные узлы:

ЦАП  -  быстродействующий цифроаналоговый преобразователь.

СПУ  -  схема поразрядного уравновешивания. Совместно с ЦАП она реализует функцию быстрого аналого-цифрового преобразования.

СВРс  - схема выделения разностного сигнала, предназначена для коррекции сигнала в режиме точного измерения и выдачи.

ИОТ  -  источник опорных токов, выдает на сопротивление значение тока соответствующего поддиапазона измерений.

БВД  -  блок входных делителей, содержит набор входных делителей и шунтов для выбора соответствующих поддиапазонов измерения.

ПОУ  -  программируемый операционный усилитель.

СОП  -  схема определения периода входного сигнала.

ЭСч  -  электронный счетчик числа импульсов.

ГОЧ  -  генератор опорных частот.

СиЧ  -  синтезатор частот.

УДД  -  управляемый дискретный делитель, предназначен для масштабирования амплитуды выдаваемых синусоидальных сигналов.

На рис.9.9 приведена реализация измерительного тракта (не показаны связи интерфейсных частей и ключи коммутатора Кв).



Рис.9.9. Реализация измерительного тракта

на структурных функциональных узлах, измерение Ui(t)


По отношению к структуре рис.9.5 структура рис.9.8 имеет меньшее число функциональных узлов, сами же узлы более простые, чем на рис.9.6. К достоинствам таких структур можно отнести также способность расширения функциональных возможностей.

Недостатками такой структуры являются наличие коммутатора Кв и некоторые потери времени, связанные с необходимостью организации измерительной структуры.


Реализация структур субкомплексов

Анализ возможных схемных решений функциональных узлов показывает, что в составе программируемых узлов присутствуют почти все структурные функциональные узлы. Поэтому по количеству оборудования и элементной базе измерительные части на программируемых и структурных функциональных узлах примерно равноценны.

Для выяснения основных требований к внутреннему интерфейсу СПС рассмотрим состав информации, обмен которой происходит в измерительной части в процессе работы СПС по структуре рис.9.6.

В таблице 9.1 приведены сведения о том, какое количество битов информации передается по шинам внутреннего интерфейса и прямого доступа в память в зависимости от типа сигналов.

По шине прямого доступа в память (ШПД) передаются только сигналы, содержащие информацию об измеряемой (выдаваемой) величине. В этом режиме объем информации не более 2 байт на обмен.

Таблица 9.1

Разрядность шин структуры рис.9.6

Функцио-нальный узел (ФУ)
Шина внутреннего интерфейса
Шина прямого доступа

Сигналы управления
Информация

Ввод в ФУ
Вывод из ФУ

1)
2)
3)
4)
5)
6)
7)
8)
9)
10)
11)
12)
13)

ПНПuir

ПАЦПa

ПАЦПft

ПЦАПa

ПВУui

ПЦАПft
3

3

3

3

3

3
3

1

1

2

1
3


3


3
1


1
2

2

2

2

2

2
1

1

1

1

1

1
1

1

1

1

1

1
2


3
1

1

1

1

1

1


12-20


26

10

20

12-14


12-14

Обозначения: 1) адрес ФУ, 2) режим, 3) поддиапазон, 4) состояние,

5) сброс-запуск, 6) готовность, 7) неисправность, 8) состояние, 9) конец операции, 10) ввод в ФУ, 11) вывод из ФУ, 12) ввод в ОЗУ, 13) вывод из ОЗУ


Сигналы, передаваемые по шине внутреннего интерфейса, можно разделить на сигналы управления работой функционального узла и сигналы, несущие информацию об измеряемой (выдаваемой) величине. В некоторых функциональных узлах такие сигналы отсутствуют, так как информация выдается или преобразуется в аналоговой форме.

Объем информации, передаваемой по информационной части шины внутреннего интерфейса, составляет 2 - 4 байта. Объем управляющей информации 1 - 2 байта.

Рассмотрим требования к выбору характеристик внутреннего интерфейса СПС. Разрядность существующих микропроцессоров (8 или 16 двоичных разрядов) не позволяет вести обработку информации параллельным методом и требует разбивки информационного слова на части, кратные байту информации.

Кроме того, прием и передача по шине внутреннего интерфейса информационного сообщения в 20 - 30 бит в параллельном коде требует большого числа шин и контактов разъема при физической реализации интерфейса. Поэтому наиболее приемлемым методом передачи информации по шине внутреннего интерфейса является последовательно-параллельный (бит-параллельный, байт-последовательный).

Сигналы управления функционального узла, общий информационный объем которых не превышает 16 бит, могут передаваться по отдельным шинам и в виде сообщений.

Таким образом, можно сформулировать два основных требования к внутреннему интерфейсу: 1) двунаправленная бит-параллельная, байт-последовательная передача информации по шине, число приемников и источников информации на которой не превышает 16; 2) наличие механизма управления работой функционального узла путем передачи и приема ограниченного количества сигналов управления.

Есть следующие пути выбора такого интерфейса: 1) применение одного из известных стандартных интерфейсов, реализация которого возможна при выбранном конструктивном решении; 2) разработка специфического нестандартного интерфейса, возможности которого максимально приближены к типам сигналов, приведенным в таблице 9.1, хотя и должны обладать (по отношению к данной конкретной реализации) некоторой избыточностью.

Если аппаратные затраты на реализацию какого-либо стандартного интерфейса окажутся соизмеримыми с затратами на специфический интерфейс, предпочтение следует отдать стандартному интерфейсу как более обеспеченному отработанными аппаратными и программными решениями.


Курсовое проектирование

Тематика курсовых проектов посвящена разработке различных информационно-измерительных систем (ИИС), построенных на базе измерительно-вычислительных комплексов (ИВК). В курсовом проекте может разрабатываться как вся система в целом, так и отдельный канал или прибор. Сложные темы поручаются для разработки группе студентов.

Каждому студенту выдается индивидуальное задание на курсовой проект, которое должно содержать тему проекта, исходные данные к проекту (диапазоны измеряемых параметров, требуемая точность, условия эксплуатации, масса, габариты и т. п.), содержание расчетно-пояснительной записки, перечень графического материала, срок сдачи студентом проекта, дату выдачи задания и подпись руководителя.

Исходные данные, имеющиеся в задании на курсовой проект, являются необходимыми, но недостаточными. Для того чтобы выявить принцип построения и функциональную структуру системы, студенту необходимо сделать анализ исходных данных и уточнить ряд положений. Методика составления задания, анализа исходных данных, уточнения данных для проектирования навигационных систем изложена в работе [15, с. 87-92].


Содержание и объем курсового проекта

Курсовой проект состоит из расчетно-пояснительной записки объемом 30-40 страниц рукописного текста на листах стандартного размера 297·210 мм (формат А4) и графической части в объеме 2-х листов 594·841 мм (формат А1).

Содержание и объем графической части уточняется руководителем, однако в каждом проекте должны быть представлены: функциональная схема системы, блок-схема алгоритма обработки измерительной информации, фрагменты принципиальных схем функциональных модулей ИИС. Графическая часть выполняется в полном соответствии с действующими ГОСТ единой системы конструкторской документации (ЕСКД) и снабжается спецификацией.

В расчетно-пояснительной записке должны быть титульный лист, задание, реферат, содержание (оглавление), перечень сокращений, основная часть, список литературы и приложение.

Реферат строится по схеме: сведения об объеме работы, количестве и характере иллюстраций, количестве таблиц, перечень ключевых слов (5-15), текст реферата. Текст реферата отражает сущность работы, конкретные сведения, краткие выводы. Объем реферата 500-1200 знаков.

Основная часть проекта состоит из введения, аналитического обзора, обоснования выбора структуры ИВК, разработки программного обеспечения, анализа основных метрологических характеристик и заключения. Обязательно делать ссылки на литературу в тексте пояснительной записки, например [93, с. 52]. Программное обеспечение оформляется в соответствии с действующими ГОСТ единой системы программной документации (ЕСПД).

Введение должно кратко характеризовать современное состояние проблемы (вопроса). Во введении следует четко сформулировать, в чем заключается новизна и актуальность работы.

Аналитический обзор должен полно и систематизировано излагать состояние вопроса, который прорабатывается в курсовом проекте. Предметом анализа должны быть результаты исследований по аналогичным вопросам, изложенным в специальной литературе, научных статьях, реферативных и других информационных журналах, патентных материалах. Общий объем аналитического обзора не более 25% объема курсового проекта.

Аналитический обзор по периодическим источникам проводится за текущий год. Рекомендуется использовать материалы, имеющиеся в библиотеке университета:
  1. Изобретения, полезные модели, ЦНИИПИ, Москва.
  2. Промышленные образцы, товарные знаки, ЦНИИПИ, Москва.
  3. Реферативные журналы:
    • Автоматика, телемеханика и вычислительная техника;
    • Воздушный транспорт;
    • Метрология и измерительная техника;
    • Механика;
    • Радиотехника;
    • Электроника.
  4. Известия высших учебных заведений:

Приборостроение; Радиоэлектроника; Электромеханика.
  1. Автоматика и телемеханика.
  2. Датчики и системы.
  3. Измерительная техника.
  4. Приборы и системы. Управление, контроль, диагностика.
  5. Приборы и техника эксперимента.
  6. Вестник УлГТУ.

Выбор структуры ИИС и состава функциональных блоков осуществляется на основе аналитического обзора из условий:

1) диапазон измерений должен соответствовать предельным изменениям параметров объекта, взятым с некоторым запасом (5-10%);

2) погрешности не должны превышать допустимых значений;

3) измерительная система должна обладать достаточной чувствительностью, помехоустойчивостью, достаточной «длительностью памяти», превосходящей длительность воздействия интенсивных помех;

4) ограничения по дальности полета и продолжительности работы пилотажно-навигационных систем, а также в отношении районов их применения, времени суток и года должны быть минимальными;

5) управление и настройка измерительной системы должны быть простыми, нетрудоемкими и кратковременными;

6) все вычислительные функции для получения результатов измерений должны выполняться ЭВМ, а не оператором;

7) измерительная система должна иметь малые габариты, массу, потреблять мало энергии;

8) при выборе структуры ИИС и функциональных блоков следует также учитывать технологические и экономические факторы.

Заключение должно содержать оценку результатов работы, в частности, с точки зрения соответствия требованиям задания. Намечаются пути и цели дальнейшей работы.

Список литературы должен содержать полные библиографические сведения об источниках: для книг – фамилии и инициалы авторов, наименование книги, издательство, год издания, количество страниц; для журнальных статей – фамилии и инициалы авторов, название статьи, название журнала, год издания, том, номер, страницы. Иностранные работы приводятся в оригинальной транскрипции.

Оформление пояснительной записки выполняется по ГОСТ 7.32-91 «Отчет о научно-исследовательской работе. Общие требования и правила оформления».

Пример оформления курсового проекта


УЛЬЯНОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

Кафедра "Измерительно-вычислительные комплексы"


Курсовой проект



по дисциплине "Проектирование информационных систем"


Тема: "Горизонтальный астроориентатор. Азимутальный метод"


Выполнила: студентка группы ИСТд-42

Ржевская Наталья Ивановна