Каналы связи и интерфейсы
Содержание
Введение
Каналы связи и интерфейсы
Машинные интерфейсы
Заключение
Литература
Список сокращений
АЦП - аналого-цифровой преобразователь
ВИП - вторичный измерительный преобразователь
ИВК - измерительно-вычислительный комплекс
ИК - измерительный канал
МО - метрологическое обеспечение
(Н) МХ - (нормируемые) метрологические характеристики
ПК - персональный компьютер
ПМО - программно-математическое обеспечение
САК - системы автоматического контроля
СИ - средства измерений
СКО - среднеквадратичное отклонение (стандартное отклонение)
ЦАП - цифро-аналоговый преобразователь
ЭВМ - электронная вычислительная машина
Введение
"Информационные измерительные системы" "Каналы связи и интерфейсы".
Появление ИИС обусловлено в первую очередь конкретными задачами производства и научных исследований, требующих получения, обработки, отображения и хранения больших объемов измерительной информации. Практическое решение этих задач оказалось возможным благодаря бурному развитию вычислительной техники и измерительной техники, в частности первичных измерительных преобразователей (датчиков). В настоящее время электроника и вычислительная техника настолько изменили ИИС, что ряд проблем, которые отмечались в фундаментальной книге М. П. Цапенко [45] как предмет будущих исследований, оказались в основном разрешенными. Например, быстродействие и объемы памяти современных электронных вычислительных машин (ЭВМ) не лимитируют реализуемость самых сложных измерительных задач. Это дало возможность использовать для обработки информации алгоритмы, практически нереализуемые на малых ЭВМ 20-30 лет назад. Серийно выпускаемые датчики позволяют использовать электрические методы измерения всех физических величин. При этом стоимость средств вычислительной техники, измерительных преобразователей и других компонентов ИИС снизилась до уровня, делающего экономически целесообразным применение ИИС в производстве, научных исследованиях и мониторинге самых различных объектов. Поэтому в настоящее время ИИС применяются практически повсеместно. Они позволяют решать задачи, недоступные для других средств измерения, и обеспечивают высокий уровень автоматизации процесса измерений, высокую достоверность получаемых результатов, высокоинформативную и удобную индикацию результатов.
этих алгоритмов. При этом, благодаря наличию в составе ИИС ЭВМ, возможна дальнейшая обработка результатов измерений, полученных путем обработки первичной измерительной информации. Это позволяет решать с помощью ИИС широкий спектр других задач, не являющихся чисто измерительными, в частности контроль качества, распознавание образов и др.
Каналы связи и интерфейсы
Организацию связи для любых применений, в том числе и в ИИС, следует рассматривать в различных аспектах [4, 29]: аппаратная реализация каналов, структура системы связи и обеспечение информационной совместимости источников и потребителей информации (интерфейсы).
Аппаратно используются в основном три вида каналов:
проводные каналы, применяемые в локально сосредоточенных ИИС, когда длина каналов не превышает десятков метров;
оптоволоконные каналы.
Радиоканалы и оптоволоконные каналы используются в пространственно распределенных ИИС. Оптоволоконные каналы более помехоустойчивы и имеют меньшую стоимость. Однако радиоканалы удобнее для связи с перемещающимися объектами. Эти два вида каналов используются и в телеизмерительных системах, которые по определению являются пространственно распределенными.
В рамках одной ИИС могут использоваться различные каналы; например, активные ПИП, не формирующие никакого выходного сигнала, могут быть связаны с ВИП только проводами. В этой системе для связи АЦП как с вторичными преобразователями, так и с ЭВМ могут использоваться каналы других видов.
В зависимости от того, какой параметр несущего сигнала используется для передачи информации, различают следующие виды систем передачи:
системы интенсивности, в которых несущим параметром является значение тока или напряжения;
частотные (частотно-импульсные), в которых передаваемая величина меняет частоту синусоидального сигнала или частоту следования импульсов;
времяимпульсные, в которых несущим параметром является длительность импульсов; к ним же относятся фазовые системы, в которых передаваемая величина меняет фазу синусоидального сигнала или сдвиг во времени между двумя импульсами;
кодовые (кодоимпульсные), в которых передаваемая величина передается какими-либо кодовыми комбинациями.
сигналы, имеют сравнительно низкую помехоустойчивость, что приводит к дополнительным погрешностям передаваемой информации. Такие системы наиболее часто используются для связи первичных и вторичных преобразователей и для связи последних с АЦП. При этом приходится применять обычные методы повышения помехоустойчивости: использование витых пар и экранированных проводов, постановка блокировочных конденсаторов, развязка земли и нулевого провода и т. д.
Частотные, времяимпульсные и кодовые системы передачи имеют существенно большую помехоустойчивость и практически не вносят погрешности в передаваемую информацию.
При согласовании информационных потоков и пропускной способности каналов широко используются методы теории информации [29], которая появилась именно в связи с потребностями теории связи. При этом следует с осторожностью применять теоретико-информационные понятия в тех сферах, для которых они не предназначены, например при оценке неопределенности результатов измерения.
Как видно из сказанного, ИИС в настоящее время проектируются на основе агрегатного (модульного) принципа, в соответствии с которым устройства, входящие в систему, представляют собой отдельные самостоятельные изделия (приборы, блоки). Для обозначения унифицированных систем сопряжения устройств, участвующих в обмене информации, используется термин интерфейс. Под интерфейсом (или сопряжением) понимают совокупность схемотехнических средств, обеспечивающих непосредственное взаимодействие составных элементов системы. Понятие интерфейса в принципе применимо и к системам интенсивности. Однако в этом простейшем случае оно включает в себя лишь требования к уровням сигналов и входным и выходным импедансам устройств приема-передачи. Основное же применение это понятие находит при организации передачи информации в кодовых системах. В этом случае различают два понятия: интерфейсные системы и интерфейсные устройства.
Под интерфейсной системой понимают совокупность логических устройств, объединенных унифицированным набором связей и предназначенных для обеспечения информационной, электрической и конструктивной совместимости. Интерфейсная система также реализует алгоритмы взаимодействия функциональных модулей в соответствии с установленными нормами и правилами.
вырабатываемых и принимаемых блоками сигналов и согласование их последовательности во времени позволяют упорядочить обмен информацией между отдельными блоками.
жесткая унификация и стандартизация входных и выходных параметров элементов системы;
использование функциональных блоков с адаптивными характеристиками по входам-выходам.
Применение развитых стандартных интерфейсов при организации ИИС позволяет обеспечить быструю компоновку системы и разработку программ управления.
Между блоками ИИС осуществляется обмен информационными и управляющими сообщениями. Информационное сообщение содержит сведения о значении измеряемой величины, диапазоне измерения, времени измерения, результатах контроля состояния ИК и др. Управляющее сообщение содержит сведения о режиме работы блоков, о последовательности выполнения ими операций и др.
Наиболее распространенные интерфейсы определены международными, государственными [11] и отраслевыми стандартами.
Существует четыре основных признака классификации интерфейсов:
способ соединения элементов системы (магистральный, радиальный, цепочечный, комбинированный);
способ передачи информации (параллельный, последовательный, параллельно-последовательный);
принцип обмена информацией (асинхронный, синхронный);
режим передачи информации (двусторонняя одновременная передача, двусторонняя поочередная передача, односторонняя передача).
В цепочечной структуре каждая пара источник-приемник соединена попарно линиями от выходов предыдущих блоков к входам последующих, и обмен данными происходит непосредственно между блоками. Функции управления распределены между соседними устройствами. Цепочечную структуру интерфейсов используют, как правило, в несложных системах с несколькими функциональными устройствами. Если ИК не имеют общих аппаратных элементов, то соединение элементов каждого канала целесообразно организовывать по цепочечной структуре.
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. Связь между управляющим устройством и одним из устройств-источников (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 приоритет чаще всего определяется местом подключения кабеля, соединяющего абонента с контроллером. Радиальное соединение функциональных блоков обеспечивает достаточно простую и быструю адресацию и идентификацию требуемого устройства.
Радиальную структуру целесообразно использовать для связи центральной ЭВМ с ИК и базирующим устройством. При этом функции контроллера может выполнять сама центральная ЭВМ. Для организации связей внутри ИК, как уже отмечалось, целесообразно использовать цепочечную структуру, которая отражает последовательную функциональную структуру ИК.
В системах с магистральной структурой вместо группы индивидуальных шин имеются коллективные шины, к которым подсоединяются все источники и приемники информации и контроллер. Такой интерфейс может быть использован в локально сосредоточенных ИИС для связи ИК с центральной ЭВМ.
транслируют по отдельной информационной линии. 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. При последовательной передаче все биты передаются по одной информационной линии в разные интервалы времени. При параллельно-последовательной передаче передаваемое число разбивается на части (обычно байты), которые передаются последовательно, а каждая часть передается параллельно.
Основными характеристиками интерфейса являются:
функциональное назначение;
номенклатура шин и сигналов;
количество линий для передачи данных;
количество адресов;
количество команд;
быстродействие;
длина линий связи;
число подключаемых устройств;
тип линий связи.
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. Эти условия 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 (число внешних устройств, которое можно к ним подключить);
схему согласования линии;
требования к источникам и цепям электрического питания, 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 совместимости необходимо, но не достаточно для взаимного сопряжения устройств и обмена данными между ними. Эти устройства должны выполнять определенную последовательность операций, связанных с обменом информацией: распознавать адрес сообщения, подключаться к линиям интерфейса, передавать сообщение в интерфейс, принимать его из интерфейса и др.
информационного канала, синхронизации обмена информацией, координации взаимодействия, а на информационный канал возлагаются функции буферного хранения информации, преобразования формы представления информации и др.
Селекция (арбитраж) информационного канала обеспечивает однозначность выполнения процессов взаимодействия сопрягаемых элементов системы. Селекция включает в себя следующие операции: инициирование запроса, выделение приоритетного запроса, идентификация запроса.
Функция синхронизации определяет временное согласование процессов взаимодействия между 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).
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 являются прием и выдача информации (данных, состояния, команд, адресов) регистрами входящих в системы устройств.
Основные процедуры функции преобразования следующие: преобразование последовательного кода в параллельный и наоборот; перекодирование информации; дешифрация команд, адресов; логические действия над содержимым регистра состояния.
Более подробная информация об интерфейсах и описание конкретных интерфейсов в [20, 28].
В автоматизированных СИ, в том числе в ИИС, применяются две группы интерфейсов: приборные и машинные.
Проектирование ИИС на основе модульного принципа построения привело к необходимости регламентировать основные требования к совместимости этих блоков. Реализация принципов программного управления работой ИИС на рубеже 1960-1970-х годов привела к разработке приборных интерфейсов. Являясь частным случаем рассмотренных выше интерфейсов, они отражают специфику сопряжения стандартных СИ, устройств ввода-вывода и управляющих устройств.
Принцип работы приборного интерфейса следующий. При передаче информации от источника к приемнику работа обоих приборов координируется сигналами по линиям шины синхронизации. При этом цикл передачи включает четыре фазы:
1) источник выставляет информационный байт;
2) источник выставляет сигналы на шине синхронизации;
3) приемник принимает информацию;
4) приемник подготавливается к приему нового байта информации.
1) реализованные и конструктивно оформленные 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;
между выходом прибора и стандартным входом в магистраль приборного интерфейса.
Приборный интерфейс широко применяется как отечественной промышленностью, 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. Уже несколько десятилетий применяются приборные интерфейсы КАМАК и канал общего пользования (КОП), называемый IEEE-488, НР-488, GPIB, IEC-625. 1 или МЭК-625. 1.
Машинные интерфейсы
Машинные (или системные) интерфейсы предназначены для объединения составных блоков ЭВМ в единую систему. Тенденция развития машинных интерфейсов вызвана необходимостью значительного увеличения доли 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 работы 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.
Машинные интерфейсы могут использоваться в тех случаях, когда отдельные блоки ИИС размещены непосредственно в системном блоке ЭВМ, что имеет место в первую очередь для локальных ИИС, а также в том случае, если АЦП, работающий в мультиплексном режиме, и коммутатор размещены в ЭВМ, а информация с ИК поступает в виде аналоговых сигналов.
Разработчик ИИС в основном выбирает приборные интерфейсы, обеспечивающие информационный обмен различных технических средств ИИС. Машинный интерфейс ПК заложен в его конструкцию. При разработке специализированного вычислительного устройства разработчик ИИС может повлиять на выбор машинного интерфейса.
В процессе выполнения контрольной работы мы ознакомились с общими понятиямиканалов связи и интерфейсами информационных измерительных систем.
Литература
1. Автоматизация физических исследований и эксперимента: компьютерные измерения и виртуальные приборы на основе LabVIEW/ под ред. П. А. Бутыркина. - М.: ДМК-Пресс, 2005. - 264 с.
2. Анисимов Б. В., Голубкин В. Н. Аналоговые и гибридные вычислительные машины. - М.: Высшая школа, 1990., - 289 с.
3. Атамалян Э. Г. Приборы и методы измерения электрических величин. - М.: Дрофа, 2005. - 415 с.
4. Ацюковский В. А. Основы организации системы цифровых связей в сложных информационно-измерительных комплексах. - М.: Энергоатомиздат, 2001. - 97 с.
5. Барский А. Б. Нейронные сети. Распознавание, управление, принятие решений. - М.: Финансы и статистика, 2004. - 176 с.
6. Батоврин В., Бессонов А., Мошкин В. LabVIEW: Практикум по электронике и микропроцессорной технике. - М.: ДМК-Пресс, 2005 - 182 с.
7. Вентцелъ Е. С, Овчаров Л. А. Теория вероятностей и ее инженерные приложения. - М.: Высшая школа, 2007. - 491 с.
8. Волкова В. Н., Денисов А. А. Теория систем. - М.: Высшая школа, 2006. - 511 с.
9. ГОСТ Р 8. 596-2002. ГСИ. Метрологическое обеспечение измерительных систем. Основные положения.
11. ГОСТ 26016-81. Единая система стандартов приборостроения. Интерфейсы, признаки классификации и общие требования.
12. ГОСТ 8. 437-81. ГСИ. Системы информационно-измерительные. Метрологическое обеспечение. Основные положения.
13. Грановский В. А. Системная метрология: метрологические системы и метрология систем. - СПб.: ГНЦ РФ ЦНИИ "Электроприбор", 1999. - 360 с.
15. Демидович В. П., Марон И. А. Основы вычислительной математики. - М.: Наука, 1970. - 654 с.
16. Деч Р. Нелинейные преобразования случайных процессов. - М.: Советское радио, 1965. - 208 с.
18. Измерение электрических и неэлектрических величин / Н. Н. Евтихиев, Я. А. Купершмидт, В. Ф. Папуловский, В. Н. Скугоров; под общ. ред. Н. Н. Евтихиева. - М.: Энергоатомиздат, 1990. - 352 с.
19. Информационно-измерительная техника и технологии / В. И. Калашников, С. В. Нефедов, А. Б. Путилин и др.; под ред. Г. Г. Ранеева. - М.: Высшая школа, 2002. - 454 с.
21. Карабутов Н. Н. Адаптивная идентификация систем. Информационный синтез. - М.: Едиториал УРСС, 2006. - 384 с.
22. Киреев В. И., Пантелеев А. В. Численные методы в примерах и задачах. - М.: Высшая школа, 2008. - 480 с.
23. Корнеенко В. П. Методы оптимизации. - М.: Высшая школа, 2007. - 664 с.
25. Мезон С., Циммерман Г. Электронные цепи, сигналы и системы. - М.: Иностранная литература, 1963. - 594 с.
26. Метрологическое обеспечение измерительных информационных систем (теория, методология, организация) / Е. Т. Удовиченко, А. А. Брагин, А. Л. Семенюк и др. - М.: Издательство стандартов, 1991. - 192 с.
27. МИ 2438-97. ГСИ. Системы измерительные. Метрологическое обеспечение. Общие положения.
28. Мячев А. А., Степанов В. Н. Персональные ЭВМ и микроЭВМ. Основы организации. - М.: Радио и связь, 1991. - 320 с.
29. Новоселов О. Н., Фомин А. Ф. Основы теории и расчета информационно-измерительных систем. - М.: Машиностроение,
1991. - 336 с.
30. Островский Ю. И. Голография и ее применение. - М.: Наука, 1976. - 256 с.
31. Пантелеев А. В., Летова Т. А. Методы оптимизации в примерах и задачах. - М.: Высшая школа, 2008. - 544 с.
32. Потапов А. С. Распознавание образов и машинное восприятие. - СПб.: Политехника, 2007. - 546 с.
33. Путилин А. Б. Вычислительная техника и программирование в измерительных системах. - М.: Дрофа, 2006. - 416 с.
34. РМГ 29-99. Метрология. Основные термины и определения.
35. Рубичев Н. А., Фрумкин В. Д. Достоверность допускового контроля качества. - М.: Издательство стандартов, 1990. - 172 с.
"ВНИИМ им Д. И. Менделеева", 1999. - 126 с.
38. Советов Б. Я., Цехановский В. В. Информационные технологии. - М.: Высшая школа, 2008. - 263 с.
39. Уайлд Д. Дж. Методы поиска экстремума. - М.: Наука, 1967. - 268 с.
40. Ушаков И. А. Курс теории надежности систем. - М.: Дрофа, 2008. - 240 с.
43. Фрумкин В. Д., Рубичев Н. А. Теория вероятностей и статистика в метрологии и измерительной технике. - М.: Машиностроение, 1987 - 168 с.
44. Хартман К. и др. Планирование эксперимента в исследовании технологических процессов. - М.: Мир, 1977. - 562 с.
45. Цапенко М. П. Измерительные информационные системы. - М.: Энергоатомиздат, 1985. - 357 с.
| 
