Что является отличительной особенностью измерительно вычислительного комплекса

47. Измерительно-вычислительные комплексы.

ИВК представляет собой совокупность программно-управляемых измерительных, вычислительных и вспомогательных технических средств, функционирующих на основе единого метрологического обеспечения и реализующих алгоритм получения, обработки и использования измерительной информации. Комплексы при этом обеспечивают: первичную обработку результатов измерения; получение результатов косвенных, совокупных и совместных измерений; управление функционированием отдельных узлов в ходе эксперимента; контроль работоспособности трактов комплексов; хранение получаемой информации; выработку управляющих воздействий на исследуемый объект в виде аналоговых и дискретных сигналов.

ИВК строятся на основе технических средств, имеющих блочномодульный принцип исполнения, что обеспечивает возможность создания ИВК с перестраиваемой структурой. В зависимости от назначения различают такие типы ИВК: универсальные, предназначенные для создания АСНИ, а также для испытаний различных изделий и материалов; их характерной особенностью является наличие перестраиваемой структуры, а также развитого программно-алгоритмического обеспечения; проблемно-ориентированные, предназначенные для ограниченного набора однотипных задач АСНИ или АСУ ТП; уникальные, предназначенные для единичных (специфических) задач исследования или испытаний.

Работоспособность ИВК определяют техническое, математическое и метрологическое обеспечение. В качестве примера ниже даны основные характеристики ИВК-8: Число коммутируемых каналов 100, из которых одновременно могут быть включены 3 или 6. Диапазон коммутируемых напряжений ±10 В. Предел допускаемой основной приведенной погрешности для структуры коммутатор — цифровой вольтметр при уровне входного сигнала ±10 В не превышает 0,1%. Быстродействие канала этой структуры не более 20 изм/с. Выходные аналоговые сигналы напряжения постоянного тока имеют диапазон ±9,99999 В; поддиапазоны ±0,1; ±1,0 В; время установления выходного напряжения не более 10 мс. Основными функциями ИВК являются: первичная обработка получаемых результатов; сервисная обработка измерительной информации; управление функционированием отдельных блоков и узлов.

48. Применение цифровой техники в измерительных устройствах.

Современные ЦИУ, выпускаемые для измерения различных величин, имеют высокие метрологические характеристики, зачастую превосходящие характеристики аналоговых средств измерений, что обусловило широкое применение ЦИУ. Кроме того, современные ЦИУ имеют возможность включения их в состав ИИС и ИВК.

1) объективность и удобство отсчета и регистрации результатов измерений;

2) получение высокой точности измерений при полной автоматизации процесса измерений;

3) получение высокого быстродействия;

4) возможность сочетания ЦИУ с вычислительными и различными автоматическими устройствами;

5) возможность дистанционной передачи результатов измерения в виде кодовых сигналов без потерь точности.

Недостатки ЦИУ — сравнительная сложность и, как следствие, сравнительно малая надежность и высокая стоимость. Однако применение новых элементов микроэлектроники позволяет повышать надежность и снижать стоимость ЦИУ.

Области применения ЦИУ. ЦИП находят применение в тех случаях, когда требуется производить измерения с высокой точностью при полной автоматизации процесса измерения, а также в тех случаях, когда требуется выдача результатов измерения в виде кодовых сигналов для регистрации, обработки или передачи результатов на расстояние. Поэтому ЦИП находят применение как в лабораторных, так и в производственных условиях для измерения различных электрических и неэлектрических величин. В настоящее время измерения многих величин выполняют с помощью ЦИП. К таковым относятся измерения напряжения постоянного тока с высокой точностью, частоты, временных интервалов, числа импульсов и т. п.

4. ИЗМЕРИТЕЛЬНО-ВЫЧИСЛИТЕЛЬНЫЕ КОМПЛЕКСЫ (ИВК)

ИВК представляет собой автоматизированное средство измерений электрических величин, на основе которого возможно создание ИИС путем присоединения к входу измерительных каналов ИВК датчиков с унифицированным электрическим выходным сигналом и генерации на основе программных компонентов ИВК программ обработки информации и управления экспериментом. ИВК представляет собой унифицированное ядро ИИС. ИВК создается методом проектной компоновки из системносопряженных функциональных блоков и устройств, выпускаемых в составе агрегатных комплексов ИВК, производимых серийно и проходивших испытания для целей утверждения типа. Основными признаками ИВК являются: — наличие нормируемых МХ; — блочно-модульная структура, измерительные и вычислительные компоненты которой являются серийно выпускаемыми агрегатными СИ; — наличие процессора или ЭВМ; — программное управление СИ; — использование типовых интерфейсов для автоматизации и обеспечения взаимодействия между СИ. По назначению ИВК подразделяют на типовые, проблемные, специализированные (табл.4.1.) Таблица 4.1. ИВК

Типовые	Проблемные	Специализированные
Для решения широкого	Для решения широко	Для решения
круга задач	распространенной, но	уникальных задач
автоматизации	специфической для	автоматизации
исследований,	конкретной области	измерений
измерений и испытаний	применения задачи
независимо от области
применения
52

В состав ИВК входят технические и программные компоненты, состав которых приведен на рис.4.1., 4.2. Технические компоненты ИВК

Основные

Вспомогательные

Измерительные

Блоки

интерфейсного

сопряжения, контроллеры

Вычислительные

Коммутаторы

Меры текущего времени и

Специальные устройства

интервалов времени

буферной памяти

Средства ввода-вывода

Расширители интерфейсных

цифровых и релейных

линий

сигналов

Устройства расширения

функциональных возможностей

ИВК

Источники питания для

вспомогательных компонент

Рис. 4.1. Состав технических компонентов ИВК 53

Технические компоненты должны удовлетворять требованиям: − совместимости; − взаимодействия компонентов; − комплексов нормируемых характеристик. Программные компоненты ИВК

Системное программное обеспечение
Общее прикладное программное обеспечение

Работа в диалоговом	Типовые алгоритмы обработки
		режиме	измерительной информации
Управление	Типовые алгоритмы
		измерительными	планирования экспериментов
компонентами	Метрологическое обслуживание
Обмен измерительной		ИВК
информацией
Проверка
работоспособности
отдельных компонентов
ИВК
Изменение и дополнение
общего прикладного ПО

Рис. 4.2. Состав программных компонентов ИВК

4.2. Основные варианты построения, архитектура и структурные схемы ИВК

Существует три варианта магистрально-модульного принципа построения ИВК. I – с магистралью приборного интерфейса и использования серийных автономных приборов и устройств (ИВК-7, ИВК-8, ИВК-12, ИВК-15); 54

II – с магистралью в стандартах КАМАК (ИВК-2,ИВК-6, ИВК-16, ИВК- 20); III – с машинной магистралью с использованием системных унифицированных узлов (К-750, К-755, К-766). По заданию Минприбора ВНИИЭП разработал концепцию магистральномодульного принципа построения систем измерения на базе унифицированных модулей и стандартных интерфейсов с применением микропроцессорных средств и мини-ЭВМ. В основу этой концепции положены агрегатные комплексы: микроэлектронных средств электрических измерений; средств диспетчеризации, автоматизации и телемеханики (микро-ДАТ); управляющих вычислительных комплексов СМ СЭВ. В концепции принята трехуровневая иерархическая структура организации ИВК. Базовый комплект СМ-3

СМ-3П

ОЗУ

ПЛ

ДZМ

Дисплей

МД

ОШ Крейт КАМАК ЦАП АЦП АЦП RG Ст Км ШД ШД УУ ЦАП КК

Экспериментальная	ЦАВОМ	Н-
установка

Рис. 4.3. Структура ИВК-3 Нулевой (внутрикаркасный) уровень включает малые программируемые контроллеры, выносные средства сбора и предварительной обработки информации, измерительные подсистемы на основе модулей, локальные регуляторы. Внутрикаркасный магистральный интерфейс — параллельный, асинхронный. 55

Измерительно-вычислительные комплексы (ИВК)

Сложность задач контроля, автоматизации эксперимента, обработки информации и управления привела к появлению новой разновидности средств измерения — измерительно-вычислительных комплексов (ИВК).

В последнее время широкое развитие получили ИВК, выполненные на базе микропроцессоров.

В соответствии с ГОСТ 26.203-81 ИВК представляет собой автоматизированное средство измерения электрических величин, на основе которого возможно создание ИИС путем присоединения ко входу измерительных сигналов датчиков измеряемых величин с унифицированным электрическим выходным сигналом и генерация на основе программных компонентов ИВК программ обработки информации и управления экспериментом, ориентированных на решение конкретных задач.

На ИВК возлагаются следующие функции [1]:

q измерение параметров производственного процесса или экспериментальной установки; регистрация информации в реальном масштабе времени, хранение и последующая ее обработка согласно заданным программам как в процессе эксперимента (испытаний), так и после его окончания;

q управление процессом или экспериментальной установкой по результатам обработки информации; передача информации для сложной обработки и накопления в ЭВМ верхнего уровня; обеспечение работы эксперимента с символьной и графической информацией в интерактивном режиме с ЭВМ.

Для реализации этих функций ИВК осуществляет следующие операции: восприятие, преобразование и обработку электрических сигналов от первичных преобразователей или от объекта измерений; управление средствами измерений; выработку электрических сигналов для воздействия на объект исследования; оценку погрешности измерений и представление ее в установленной форме.

Характерными признаками ИВК являются: блочно-модульная агрегатная структура построения; наличие в их составе ЭВМ; программное управление от ЭВМ техническими средствами, входящими в ИВК; использование типовых интерфейсов для обеспечения взаимодействия между входящими в ИВК устройствами.

В ИВК (в зависимости от используемой ЭВМ, структуры комплекса и решаемых с его помощью задач) могут использоваться различные машинные, системные, приборные и другие интерфейсы, а также согласованные системы интерфейсов.

По назначению ИВК подразделяют на типовые широкого назначения, проблемно-ориентированные и специализированные. Типовые ИВК служат для решения широкого круга задач автоматизации исследований и испытаний независимо от области использования. Проблемно-ориентированные ИВК служат для решения широко распространенной, но специфичной задачи автоматизации измерений, исследований или испытаний посредством специально разрабатываемых для этих комплексов агрегатных средств и проблемно-ориентированного материального обеспечения (например, определенного набора технических средств сопряжения с объектом и пакетов прикладных программ).

Специализированные ИВК применяются для решения уникальных задач автоматизации измерений, испытаний или исследований, для которых применение типовых и проблемных ИВК экономически нецелесообразно. При этом в случае отсутствия необходимых серийных агрегатных средств измерений и автоматизации (СИА), в состав специализированных ИВК могут быть включены специально разработанные внесистемные СИА и средства ВТ.

В состав ИВК входят технические и программные компоненты. К техническим компонентам относятся средства вычислительной техники, средства измерения электрических величин, времязадающие средства, средства вывода управляющих электрических сигналов, средства ввода-вывода цифровых и аналоговых сигналов, блоки электрического сопряжения измерительных компонентов между собой или измерительных компонентов с вычислительными компонентами, коммутационные устройства, расширители интерфейса, унифицированные типовые конструктивные элементы, источники питания и другие вспомогательные узлы.

Системное программное обеспечение ИВК — совокупность программного обеспечения ЭВМ, используемой в ИВК, и дополнительных программных средств, дающих возможность работы в диалоговом режиме с ИВК, а при необходимости — в режиме обмена измерительной информацией с измерительными компонентами и управления ими.

Прикладные программы ИВК обеспечивают обработку измерительной информации, проверку работоспособности компонентов ИВК в отдельности и комплекса в целом, метрологическое обслуживание ИВК (определение метрологических характеристик и поверку измерительных каналов ИВК, а также его метрологическую аттестацию). Модули прикладного программного обеспечения функционируют в соответствии с назначением и задачами исследований, проводимых с помощью ИВК.

Рисунок 1.3 — Структура ИИС с ЭВМ

Объединение в ИВК современных средств измерительной и вычислительной техники, стандартных интерфейсов дает возможность изменять по мере надобности их состав, применять алгоритмы, позволяющие реализовать сложные задачи измерения, производить коррекцию результата измерения, выполнять поверочные операции и др.

В составе ИВК, как было показано выше, используется свободно программируемая ЭВМ, что позволяет обеспечить автоматизированную обработку измерительной информации, изменение программным путем алгоритмов обработки информации, гибкую перестройку самой структуры системы и взаимодействие с объектом исследования в реальном масштабе времени.

Из рисунка 1.3 видно, что информация, характеризующая количественное значение параметров объекта, посредством датчиков, блоков преобразования (измерения) сигналов, представляется оператору или ЭВМ в виде, удобном для использования. Измерительная информация сообщается оператору, например, в числовом виде на цифровых табло и вводится в ЭВМ для вычисления различных характеристик. Путем воздействия на объект имеется возможность получения различных параметров, характеризующих состояние объекта исследования.

Рассмотренное каскадное соединение ЭВМ с ИИС не реализует в полном объеме те преимущества ИВК, о которых говорилось выше. Более полно возможности ИВК реализуются при включении ЭВМ в замкнутый контур (рисунок 1.4). В этом случае вся система объединена программой функционирования и обработки измерительной информации, включающей в себя как воздействие на объект исследования, так и алгоритм взаимодействия с оператором. Эта схема является обобщенной структурой, по которой создается архитектура большинства современных ИВК. За основу при построении ИВК принимаются современные средства цифровой измерительной техники и малые цифровые ЭВМ.

Рисунок 1.4 — Обобщенная структура ИВК

Структуру ИВК во многом определяют используемые интерфейсы. Кроме информационной и конструктивной совместимости они должны обеспечивать и программную совместимость.

Измерительно-вычислительные комплексы

Важнейшей разновидностью ГИС являются измерительновычислительные комплексы (ИВК), представляющие собой автоматизированные средства измерений и обработки измерительной информации. ИВК используются для измерения параметров сложных объектов.

Отличительными особенностями ИВК являются наличие свободно программируемой ЭВМ (для обработки результатов измерений и управления собственно процессом измерений, а также для управления воздействием на объект исследования), нормирование метрологических характеристик, программное управление измерительными средствами, блочно-модульная структура.

ИВК применяются для реализации прямых, косвенных, совместных и совокупных методов измерений физических величин; для представления результатов измерений оператору в необходимом (удобном) виде; для управления процессом измерений и воздействия на объект измерений.

Виртуальные приборы

Виртуальные приборы относятся к пятому поколению информационно-измерительных систем и строятся на базе ПК с использованием современного программного и математического обеспечения.

ПК оснащен аппаратными средствами ввода-вывода сигналов и соответствующего программного обеспечения, которое определяет конфигурацию и функции системы. ПК работает в режиме реального времени и способен выполнять все функции специализированного оборудования, сохраняя гибкость и перенастраиваемость интерфейса.

Специальная плата сбора данных (ПСД), устанавливаемая в слот ISA или PCI (или внешнее устройство), и внешние интерфейсы образуют виртуальный измерительный прибор.

Виртуальные приборы на базе ПСД, устанавливаемые в системный блок ПК, уже широко используются в устройствах сбора и обработки информации, в контрольно-диагностических и измерительных системах для промышленных и лабораторных приложений.

Виртуальный прибор можно успешно использовать для решения целого ряда измерительных задач на одном ПК. Для этого достаточно лишь подобрать программное обеспечение и платы сбора данных в соответствии с техническими требованиями эксперимента. Необходимую часть виртуальных приборов составляет программа — интерфейс человека с ПК и с самим прибором. Эта программа поддерживает следующие концепции программного обеспечения:

• • программный интерфейс, внешне очень похожий на операционную систему Windows и использующий ее возможности;
• • программа, создающая лицевую управляющую панель стационарного автономного прибора.

Каждый из вариантов имеет свои достоинства и недостатки, и фирма предлагает реализацию виртуальных приборов обоих видов.

Рассмотрим прибор с интерфейсом, похожим на Windows. Такой подход допустйм, если компьютер должен измерять параметры внешних аналоговых сигналов, а оператор неплохо разбирается в подключении к ПК различных нестандартных измерительных устройств. В этом случае необходимо иметь несколько плат, включаемых соответствующим образом.

Программное обеспечение, поставляемое вместе с ПСД, состоит из стандартных программ, драйверов и примеров программирования. Такой набор программ позволяет решать широкий круг прикладных задач по исследованию сигналов и сбору данных с различных датчиков и внешних устройств. Версии для Windows обладают удобным интерфейсом и благодаря интеграции друг с другом и с другими приложениями Windows значительно облегчают получение результатов измерения и их документальное оформление в виде отчетов, графиков, диаграмм. Если этих стандартных программ недостаточно для решения конкретной задачи, то пользователь, умеющий хорошо программировать, создает более приспособленную для своей задачи программу. Здесь просто необходимы драйверы для управления платами и примеры программирования.

Существуют готовые виртуальные приборы, например осциллограф (рис. 7.2) и спектроанализатор (рис. 7.3) с возможностью сбора данных.

Рис. 7.2. Виртуальный осциллограф

Программа «Осциллограф» позволяет видеть сигнал, измеряемый с помощью АЦП, в реальном времени и производить спектральный анализ собранных данных. В верхней части окна программы сосредоточены основные элементы управления ее работой и отображением данных. Большинство элементов управления снабжены всплывающими подсказками. Программа обеспечивает выбор частоты дискретизации, размера блока измеряемых данных и числа каналов, синхронизацию устройств без аппаратной синхронизации, поддержку режима аппаратной синхронизации, поддержку некоторых специфических функций устройств (кадровый сбор, включение внешней частоты дискретизации), сохранение файлов с данными «как есть» и в форматах ASCII и WAV, воспроизведение сохраненных данных из файлов с данными «как есть» и в формате WAV.

Как любое измерительное устройство, программа «Осциллограф» снабжена осями (шкалами). Вертикальная ось слева градуирована в единицах младшего значащего разряда АЦП или вольтах, которые отображаются в левом верхнем углу окна осциллографа. Нижняя горизонтальная ось может быть градуирована по числу измеренных точек

Рис. 7.3. Окно спектроанализатора (а) и спектр квазигармонического сигнала (б)

или в единицах времени (секундах, милли-, микро-, наносекундах). Единица измерения горизонтальной оси приводится в левом нижнем углу окна осциллографа. На осях подписываются значения, соответствующие текущему активному каналу При этом надписи на верхней горизонтальной оси соответствуют точкам в районе курсора. Значение в точке, над которой расположен курсор, подсвечивается прямоугольником того же цвета, что и текущий активный канал. Для удобства оценки промежуточных значений оси, кроме крупных клеток, имеются по девять засечек на каждую такую клетку.

Графическая часть — основная для осциллографа, и там отображается в реальном времени график сигнала, подаваемого на вход или входы платы. Графическая часть может быть разделена по горизонтали на две части двойным щелчком мыши. В верхней части графики сигналов отображаются в нормальном виде, а в нижней — в увеличенном. При этом в зону увеличенного просмотра попадает та часть графика, которая находится внутри выделенного квадратика. Его размер можно изменять, передвигая мышь и удерживая нажатой ее правую кнопку, а положение — перемещая мышь и удерживая нажатой ее левую кнопку. Двойное нажатие левой кнопки мыши возвращает окно осциллографа в нормальный режим.

В режиме анализа спектра сигнала горизонтальная ось градуируется в килогерцах, вертикальная — в децибелах. Для просмотра параметров спектра квазигармонического сигнала (см. рис. 7.3, 6) необходимо маркерами Ml и М2 выделить участок спектра, содержащий, например, основную гармонику.

Программа «Генератор» предназначена для управления платой аналогового вывода ЛА-ЦАПнЮ и совместно с ней образует виртуальный прибор, который по своим функциональным возможностям соответствует приборам класса генераторов сигналов специальной формы (группа Гб). Генератор позволяет формировать синусоидальные, прямоугольные, треугольные и более сложные выходные сигналы. Сигналы генерируются за счет последовательного вывода временных отсчетов сигналов, записанных в циклический буфер памяти платы. Взаимодействие с программой происходит только в моменты изменения этого буфера при записи в него нового сигнала, считываемого из файла и формируемого программно.

Режим генерации канала изменяется только тогда, когда изменяется состояние какого-либо относящегося к нему управляющего элемента. После запуска генератора открывается его главное окно, графически выполненное в виде приборной панели (рис. 7.4). Управление генератором осуществляется через это окно, а также через дополнительные диалоговые окна, открывающиеся через меню главного окна.

Примерами виртуальных вольтметров с Windows-интерфейсом (рис. 7.5) могут служить программы для управления платами ЛА-нЮ и ЛА-и24. Эти виртуальные приборы предназначены для измерения среднеквадратичного значения напряжения в диапазоне частот до 50 МГц в двухканальном режиме и 1 кГц — в трехканальном.

Рис. 7.4. Виртуальный генератор сигналов специальной формы

Рис. 7.5. Вольтметр с Windows-интерфейсом

Все описанные виртуальные приборы удобны и просты в управлении для тех, кто постоянно работает с компьютером. Для начинающих пользователей компьютеров созданы стандартные измерительные приборы, подключать и применять которые не сложнее, чем обычные стандартные устройства. Примером могут служить виртуальные приборы, имеющие прототипы среди стационарных приборов и очень похожий программный интерфейс: осциллограф, спектроанализатор и вольтметр.

Виртуальные приборы максимально просты в управлении и имеют те же панели, расположенные в тех же местах, те же органы управления, что и обычные приборы-аналоги. Графический интерфейс программы создает переднюю панель известного измерительного прибора. В программе вольтметра стандартного типа (рис. 7.6) с платой ЛА-нЮ для начала работы необходимо только установить переключатели в нужное положение и начать измерять входные сигналы по двум каналам.

Рис. 7.6. Виртуальный вольтметр стандартного типа

Таким образом, наличие двойного подхода к программному интерфейсу виртуальных приборов позволяет пользователям с разной квалификаций полностью использовать возможности устройств с АЦП, ЦАП или цифровыми входами-выходами для решения измерительных задач.

Достоинством виртуальных приборов по сравнению с микропроцессорными является доступ пользователя к обширным объемам прикладных программ, возможность использовать внешнюю память большой емкости и различные устройства документирования результатов измерений. Кроме того, использование виртуальных приборов экономически эффективно, так как любая ПСД и программное обеспечение обработки измерительной информации дешевле любого измерительного прибора.

Интеллектуальные измерительные системы

Интеллектуальные измерительные системы (интеллектуальные ИС) характеризуются тем, что их можно индивидуально программировать на выполнение специальных задач, используя программируемый терминал для ввода параметров конфигурирования.

Такие измерительные системы могут выполнять все функции измерения и контроля в режиме реального времени, что позволяет осуществлять функции измерения и контроля высокого уровня без использования больших компьютеров. При автономном функционировании такая система обеспечивает непрерывные измерения и контроль заданных параметров, сбор данных и обработку сигналов.

Интеллектуальные И С отличаются от традиционных следующими преимуществами:

• • высокое быстродействие контуров управления процессом измерения и высокая скорость сбора данных;
• • возможность использования стандартных интерфейсов с любыми системами и оборудованием;
• • надежность на каждом системном уровне за счет применения универсальных методов обеспечения безотказной работы;
• • возможность взаимозаменяемости, так как интеллектуальные ИС являются стандартными устройствами.

Контрольные вопросы

• 1. Почему необходима автоматизация измерений?
• 2. В чем состоит суть первой ступени автоматизации?
• 3. В чем состоит суть второй ступени автоматизации?
• 4. Приведите классификацию ИИС.
• 5. Чем отличаются ГИС от АНП?
• 6. Приведите классификацию ГИС.
• 7. Что такое ИВК?
• 8. Каков принцип построения современных ИИС?
• 9. Что такое децентрализованные ИИС?

• 10. Чем отличаются централизованные ИИС от децентрализованных?
• 11. Перечислите разновидности централизованных ИИС.
• 12. Какие задачи выполняет современная ИИС?
• 13. Расскажите о виртуальных приборах.
• 14. Приведите варианты концепций программного обеспечения виртуальных приборов.
• 15. Каковы достоинства и недостатки виртуальных приборов по сравнению с микропроцессорными?