13-2. ИЗМЕРИТЕЛЬНО-ВЫЧИСЛИТЕЛЬНЫЕ СРЕДСТВА СИСТЕМНОГО ПРИМЕНЕНИЯ

Основными компонентами ИВС являются аналоговые измерительные преобразователи, аналого-цифровые и цифро-аналоговые преобразователи; аналоговые, цифровые и гибридные вычислительные средства и устройства сопряжения. Сочетание этих компонентов и их структурная организация обеспечивают требуемые функции и установленную погрешность измерительного канала (ИК).

Измерительный канал на основе ИВС.

Измерительный канал (рис. 13-1) содержит аналоговый измерительный преобразователь АИПУ аналого-цифровой преобразователь АЦП и цифровое вычислительное средство ЦВС. При этом в процессе измерения величины х на канал действуют внешние случайные факторы (электрические помехи, изменение температуры, влажности и т. п.), от которых зависит результат измерения у.

Одной из основных задач при проектировании ИК является выбор числа разрядов АЦП.

Рассмотрим задачу выбора числа разрядов АЦП при

Рис. 13-1. Структура измерительного канала

заданной общей предельной погрешности канала и заданном соотношении с между предельной погрешностью квантования и пределом остальных составляющих, т. е. при

Принимая законы распределения равномерными для погрешности квантования (см. § 8-2) и для суммы остальных составляющих погрешности канала, получим

где К — коэффициент, зависящий от закона распределения и принятой доверительной вероятности (см. § 14-3); — среднее квадратическое отклонение погрешности квантования - среднее квадратическое отклонение всех составляющих погрешности канала, кроме погрешности квантования; — шаг квантования. Полученные выражения позволяют по заданным , определенному коэффициенту К найти шаг квантования а следовательно, и число разрядов АЦП.

Рассмотрим задачу оценки достоверности аналого-цифрового преобразования величины при воздействии на АЦП аддитивной случайной помехи с нормальным законом распределения

где а — среднее квадратическое значение помехи. Графическая иллюстрация постановки задачи представлена на рис. 13-2, а. Примем, что вероятность правильного аналого-цифрового преобразования величины определяется вероятностью того, что мгновенное значение помехи не выйдет за пределы шага квантования, т. е.

Рис. 13-2. Оценка достоверности аналого-цифрового преобразования

где Ф — функция Лапласа.

При этом есть вероятность того, что в процессе аналого-цифрового преобразования величины мгновенное значение выйдет за пределы шага квантования. Характер зависимости представлен графически на рис. 13-2, б.

После определения числа разрядов АЦП и оценки достоверности аналого-цифрового преобразования возникает задача, Связанная с определением разрядности цифровых вычислительных средств, которая может оказаться выше разрядности АЦП вследствие увеличения точности оценки результатов измерений благодаря статистической обработке измерительных данных.

В общем случае в измерительном канале может быть использована совокупность аналого-цифровых и цифро-аналоговых вычислительных устройств (АЦВУ и ЦАВУ), время-импульсных, частотно-импульсных и т. п., образующих гибридное измерительно-вычислительное устройство (ГИВУ), выполняющее вычислительные операции над аналоговыми и цифровыми величинами. В отличие от этого цифровые вычислительные средства обеспечивают чисто цифровую обработку измерительной информации.

Сочетание ГИВУ и микропроцессоров (МП) можно рассматривать как гибридный измерительно-вычислительный комплекс (ГИВК). Обобщенная структура ГИВК представлена на рис. 13-3, на котором обозначены: и — обобщающие символы, соответственно, аналоговой и цифровой форм представления информации; — коммутирующие устройства, соответственно, аналоговых и цифровых сигналов. Для ГИВК справедливо следующее:

Рис. 13-3. Структура гибридного измерительно-вычислительного комплекса

1) наиболее уязвимыми для внешних воздействий являются аналоговые и аналого-цифровые преобразователи, для которых организация первичной обработки измерительной информации имеет первостепенное значение;

2) первичная обработка измерительной информации осуществляется посредством ГИВУ с использованием функций управления и хранения вспомогательной информации в микропроцессоре МП;

3) основную обработку измерительной информации производит микропроцессор, а вспомогательную — ГИВУ, обеспечивая МП результатами первичной обработки измерительной информации.

4) разделить однозначно измерительные процедуры на относящиеся к первичной или оснозной (вторичной) обработке затруднительно, поскольку это зависит от конкретных условий задачи;

5) гибридные вычислительные устройства (ГВУ) приобретают свойства измерительных приборов, т. е. могут быть названы гибридными измерительно-вычислительными устройствами (ГИВУ) только в том случае, если в ГВУ наряду с вычислительными операциями производятся измерительные преобразования и ГВУ имеет аттестованные метрологические характеристики.

Микропроцессорные средства.

Микропроцессор (МП) представляет собой законченное программно-управляемое малоразрядное устройство, выполненное по технологии больших интегральных микросхем (БИС) и предназначенное для обработки данных и управления. Микропроцессор может быть реализован в виде одного или нескольких кристаллов, содержащих до трех и более тысяч компонентов в одном кристалле. Технологичность МП и его высокая эффективность (малая стоимость при относительно высокой производительности) определяются модульным принципом конструирования, который предполагает изготовление МП в виде набора БИС с небольшим числом внешних выводов (24—48) и программным принципом организации его работы. Микропроцессорный набор БИС представляет собой совокупность совместимых БИС, специально разработанных для построения различных МП-систем. Обычно в МП-набор входят БИС, образующие собственно МП, оперативное запоминающее устройство (ОЗУ), постояное запоминающее устройство (ПЗУ), перепрограммируемое ЗУ (ППЗУ), БИС микропрограммного управления (МПУ), БИС ввода—вывода и др. (до 20 видов).

Различают следующие основные виды вычислительных средств (рис. 13-4) на основе микропроцессоров:

1) собственно МП — одна или несколько БИС, обеспечивающих функции: арифметико-логического устройства (АЛУ),

Рис. 13-4. Виды вычислительных микропроцессорных средств

внутренних регистров устройства управления (УУ) и внутреннего «Интерфейса», который обеспечивает связь перечисленных устройств между собой и с внешней аппаратурой;

2) МП-модуль — функционально законченное и выполненное конструктивно в виде одной платы изделие, содержащее в своем составе БИС микропроцессора (МП), запоминающего устройства (ОЗУ, ПЗУ) у «Интерфейса внешних устройств», а также генератор тактовых импульсов (ГТИ); такой МП-модуль (без источника питания, корпуса, пульта управления и внешних устройств) может выполнять функции микроконтроллера (устройства управления) или микро-ЭВМ при встраивании его в МП-систему;

3) микро-ЭВМ (рис. 13-5), в отличие от МП-модуля, представляет собой конструктивно завершенное цифровое

Рис. 13-5. Структура микро-ЭВМ

Рис. 13-6. Структура цифрового измерительного прибора со встроенным микропроцессором

вычислительное устройство, реализованное на основе МП-набора БИС или МП-модулей и конструктивно оформленное в виде автономного устройства со своим источником питания, внешними устройствами ввода—вывода, комплектом программного обеспечения и пультом управления.

Основой программного обеспечения микро-ЭВМ, используемых в средствах измерений, являются:

формализация измерительной задачи, которая предусматривает перечень измеряемых величин, форм представления результатов измерения, критериев обработки измерительной информации и т. п., представленных в виде математических или логических выражений;

алгоритмизация измерительной задачи, предусматривающая последовательность действия функциональных узлов средств измерений с учетом объема и характера обработки измерительной информации.

В качестве примера на рис. 13-6 приведена обобщенная структурная схема цифрового измерительного прибора со встроенным микропроцессором (МП). В этой схеме можно выделить две части: измерительную (АЦП, ЦАП, усилитель, коммутатор, мера) и аппаратуру программного управления и обработки данных (МП, ОЗУ, ПЗУ, «Клавиатура», «Дисплей», «Интерфейс»). Режим работы прибора устанавливается клавиатурой, с помощью которой выбирают измеряемую величину, режим измерений и диапазон измерений. Сигналы с клавиатуры преобразуются с помощью шифратора в коды и поступают на «Шину данных».

Микропроцессор МП в соответствии с подпрограммой установки режима анализирует данные с клавиатуры, сравнивая их с константами из ПЗУ, при этом МП вырабатывает управляющие коды: на ЦАП для обеспечения требуемого диапазона измерений, на коммутатор для подключения канала и т. п. Вводимая информация с клавиатуры отображается на специальном устройстве — «Дисплее».

Режим измерений начинается с подачи команды «Пуск» с «Клавиатуры». Сформированные в АЦП коды поступают в МП, где производится их обработка по программе. Коррекция погрешности ЦИП, а также его диагностика, производятся при подаче от МП кода на коммутатор для подключения к АЦП встроенной «Меры» (например, источника известного напряжения). При этом код с АЦП, соответствующий значению меры, поступает в МП, сравнивается с константой из ПЗУ и вычисляется значение поправки, которая учитывается МП при обработке данных до следующего цикла калибровки прибора.

Приведенная структура ЦИП дает возможность выбора различных видов измерений. В этом случае производится замена ПЗУ.

Вычислительные машины.

В ИВК, входящих в состав АСУТП, АСНИКИ, САПР и др., находят применение электронные вычислительные машины серии СМ ЭВМ (система малых ЭВМ).

Основными особенностями СМ ЭВМ являются: широкий диапазон организации структуры в соответствии с конкретными условиями применения, наличие магистральной структуры интерфейса с аппаратурной реализацией большинства системных функций ввода — вывода информации, возможность простой реализации многопроцессорных и многомашинных систем, высокая скорость обработки информации, наличие дополнительных устройств расширения межпроцессорной и межмашинной связи. Программное обеспечение СМ ЭВМ строится на базе систем разделения времени, телеобработки, диалоговых систем и т. д. с большим набором процедурно-ориентированных программ.

В состав базового комплекта СМ ЭВМ (рис. 13-7) входят: «Процессор», оперативное запоминающее устройство (ОЗУ), устройство ввода отображения символьной информации (УВОСИ) на базе электронно-лучевой трубки (дисплей), алфавитно-цифровое устройство печати (АЦПУ), устройство внешней памяти (УВП), устройство ввода—вывода перфоленточное (УВВПЛ) интерфейс «Общая шина». Производительность и функции, выполняемые СМ ЭВМ, могут быть расширены при совместной работе с другими ЭВМ.

Рис. 13-7. Структура ИВК

Интерфейс.

Интерфейс, в общем случае, представляет собой совокупность цепей, связывающих различные устройства и алгоритм, определяющий порядок передачи информации между этими устройствами. Цепи интерфейса разделяют на три группы: информационные, адресные и управляющие.

Информация передается в виде кодов определенного числа разрядов байтами или словами. Для различия байтов данных, команд или адресов используются осведомительные сигналы.

Для инициирования передач, синхронизации работы устройств и завершения передачи служат управляющие сигналы, которые формируются одним устройством для управления работы другого. При этом первое устройство называется ведущим, а второе — ведомым.

Основной характеристикой интерфейса является скорость передачи информации, которая зависит от алгоритма передачи и технических характеристик цепей связи.

С целью использования модульного принципа построения систем разработаны стандартные интерфейсы, обеспечивающие информационную, электрическую и конструктивную совместимость различных устройств. В настоящее время известны средства измерений и обработки данных с разными уровнями унификации и стандартизации интерфейсов.