Ульяновск 2006

В. Н. Шивринский
ПРОЕКТИРОВАНИЕ
ИНФОРМАЦИОННЫХ
СИСТЕМ
Учебно-методический комплекс
Ульяновск 2006
Предисловие
Учебным планом по дисциплине предусмотрено 119 часов аудиторных
занятий, из них лекции – 51 час, лабораторные работы – 51 час, практические занятия – 17 часов, 85 часов для самостоятельной работы, зачет в
седьмом семестре, курсовой проект и экзамен в восьмом семестре.
Дисциплина знакомит студентов с устройством различных информационных измерительных систем (ИИС), принципами их построения и применения, методами проектирования. В результате изучения дисциплины
студенты должны приобрести знания об основных структурах, алгоритмах
работы, характеристиках ИИС и их частей. Объем этих знаний должен
быть достаточным для оценки метрологических характеристик, выбора и
организации совместной работы функциональных блоков ИИС конкретного применения. Предполагается, что студенты знакомы с теоретическими
основами и средствами измерительной, вычислительной техники, языками
программирования.
Изучение курса следует начинать с проработки программного материала по рекомендованной литературе и конспекту лекций. После изучения
соответствующих разделов можно выполнять лабораторные работы. Завершающей стадией обучения является курсовое проектирование. Курсовой проект содействует систематизации, закреплению и расширению
научно-технических знаний в соответствии с современными достижениями
отечественной и зарубежной науки и техники, овладению методами научных исследований и углубленному изучению отдельных вопросов в соответствии с темой проекта.
Студенты самостоятельно выбирают тему проекта, которая согласуется с руководителем. Тематика курсовых проектов должна отражать содержание курса «Проектирование информационных систем» и может включать разработку следующих систем: 1) горизонтальный астрокомпас;
2) горизонтальный астроориентатор; 3) пилотажно-навигационная система
воздушных сигналов; 4) навигационная система воздушного счисления пути; 5) инерциальная навигационная система; 6) курсовая система;
7) командно-пилотажная навигационная система; 8) система контроля топливной аппаратуры; 9) система автоматизированной поверки электроизмерительных приборов; 10) компьютерная модель лабораторного стенда.
При проведении лабораторных занятий используются также компьютерные модели лабораторных стендов по метрологии и измерительной
технике, навигационным и радиотехническим системам, разработанные
студентами факультета информационных систем и технологий Ульяновского технического университета в курсовых и дипломных проектах. Примеры виртуальных лабораторных работ приведены в директориях
Um_pris\lab\1\ и Um_pris\lab\4\ .
Рекомендуемая литература
Основная:
1. Боднер В. А. Приборы первичной информации. – М.: Машиностроение,
1981. – 344 с.
2. Браславский Д. А. Приборы и датчики летательных аппаратов. – М.:
Машиностроение, 1970. – 392 с.
3. Помыкаев И. И., Селезнев В. П., Дмитроченко Л. А. Навигационные
приборы и системы. – М.: Машиностроение, 1983. – 456 с.
4. Цапенко М. П. Измерительные информационные системы: Структуры и
алгоритмы, системотехническое проектирование. – М.: Энергоатомиздат,
1985. – 439 с.
5. Соломатин Н. М., Шервитис Р. П., Макшанцев М. М. Выбор микроЭВМ
для информационных систем. – М.: Высш. шк., 1987. – 109 с.
6. Основы метрологии и электрические измерения / Б. Я. Авдеев,
Е. М. Антонюк, Е. М. Душин и др.; Под ред. Е.М.Душина. – Л.: Энергоатомиздат. Ленингр. отд-ние, 1987. – 480 с.
7. Савельев А. Я., Овчинников В. А. Конструирование ЭВМ и систем. – М.:
Высш.шк., 1989. – 312 с.
Дополнительная
8. Федоров А. М., Цыган Н. Я., Мичурин В. И. Метрологическое обеспечение электронных средств измерений электрических величин. – Л.: Энергоатомиздат, 1988. – 208 с.
9. Балашов Е. П., Пузанков Д. В. Проектирование информационноуправляющих систем. – М.: Радио и связь, 1987. – 256 с.
10. Каган В. М., Сташин В. В. Основы проектирования микропроцессорных устройств автоматики. – М.: Энергоатомиздат, 1987. – 304 с.
11. Фридмен М., Ивенс Л. Проектирование систем с микрокомпьютерами.
– М.: Мир, 1986. – 405 с.
12. Добрынин Е. М. Приборы автоматического контроля размеров в машиностроении. – М.: Машгиз, 1960. – 302 с.
13. Браславский Д.А., Логунов С.С., Пельпор Д.С. Авиационные приборы
и автоматы. – М.: Машиностроение, 1978. – 432 с.
14. Браславский Д. А., Петров В. В. Точность измерительных устройств. –
М.: Машиностроение, 1976. – 312 с.
15. Селезнев В. П. Навигационные устройства. – М.: Машиностроение,
1974. – 600 с.
16. Чернявский Е. А., Недосекин Д. Д., Алексеев В. В. Измерительновычислительные средства автоматизации производственных процессов. –
Л.: Энергоатомиздат, 1989. – 272 с.
17. Гуткин Л. С. Проектирование радиосистем и радиоустройств. – М.: Радио и связь, 1980. – 288 с.
18. Липаев В. В. Проектирование программных средств. – М.: Высшая
школа, 1990. – 303 с.
19. Колосов В. Г., Мелехин В. Ф. Проектирование узлов и систем автоматики и вычислительной техники. – Л.: Энергоатомиздат, 1983. – 256 с.
20. Капиев Р. Э. Измерительно-вычислительные комплексы. – Л.: Энергоатомиздат, 1988. – 176 с.
21. Интерфейсы систем обработки данных: Справочник /А. А. Мячев,
В. Н. Степанов, В. К. Щербо. – М.: Радио и связь, 1989. – 416 с.
22. Гордеев А. А., Кирпичникова Л. Г. Пособие по проектированию автоматических информационных устройств по курсу «Автоматические информационные устройства и системы летательных аппаратов». – М.: МАИ,
1975. – 79 с.
23. Вальков В. М., Вершин В. Е. Автоматизированные системы управления
технологическими процессами. – Л.: Политехника, 1991. – 269 с.
При проведении лабораторных занятий, курсовом проектировании
используются методические разработки Шивринского В. Н.:
- Методическое руководство к лабораторным работам по курсу «Навигационные системы и гироприборы», 1977. – 158 с.
- Решение полярного треугольника светила с помощью микрокалькулятора
«Электроника Б3 - 34», 1983. – 47 с.
- Метрология и измерительная техника. Многоканальный программируемый вольтметр: Сборник лабораторных работ, 1988. – 32 с.
- Навигационные системы: Сборник лабораторных работ, 1988. – 32 с.
- Метрологическое обеспечение авиационных приборов и измерительновычислительных комплексов: Сборник лабораторных работ, 1990. – 40 с.
- Интерфейсы измерительно-вычислительных комплексов: Сборник лабораторных работ, 1992. – 40 с.
- Проектирование измерительно-вычислительных комплексов: Сборник
лабораторных работ, 1993. – 40 с.
- Основы проектирования измерительно-вычислительных комплексов:
Сборник лабораторных работ, 1996. – 28 с.
- Исследование интерфейсов ИВК: Сборник лабораторных работ для студентов направления 551500, 2001. – 36 с.
- Исследование двухуровневого ИВК: Сборник лабораторных работ для
студентов направления 551505, 2001. – 32 с.
- Проектирование информационных систем: Сборник лабораторных работ
для студентов специальности 071900, 2002. – 40 с.
- Исследование приборного интерфейса: Сборник лабораторных работ,
2004. – 40 с.
- Измерительно-вычислительные комплексы: Курсовое проектирование,
1994. – 24 с.
- Основы проектирования измерительно-вычислительных комплексов:
Конспект лекций для студентов направления 5515, 1995. – 144 с.
- Основы метрологии и электрические измерения: Конспект лекций для
студентов направления 5515, 1999. – 124 с.
Учебно-методическая карта дисциплины
Тема 1. Основные понятия и определения.
Введение. Предмет курса. Понятие «измерение». Структурные схемы
средств измерений. Виды измерений. Прямые, косвенные, совокупные,
совместные измерения [Л.2, с.3 - 6; Л.6, с.10 - 23].
Виды погрешностей измерений и источники их появления. Систематические погрешности. Погрешности косвенных измерений. Случайные погрешности [Л.6, с.23 - 35].
Тема 2. Характеристики средств измерений.
Классификация средств измерений. Статические характеристики
средств измерений. Динамические характеристики средств измерений
[Л.1, с.49 - 50, 88 - 98; Л.2, с.7 - 11, 18 - 20, 44 - 55].
Погрешности средств измерений. Нормирование метрологических характеристик [Л.1, с.102 - 122; Л.2, с.98 - 102; Л.6, с. 52 - 61].
Автоматизированные информационные системы. Государственная система приборов и агрегатные комплексы. Основные блоки измерительных
систем. Основные структуры автоматизированных измерительных систем
[Л.16, с.93 - 106; Л.6, с.47 - 51].
Тема 3. Основные этапы проектирования приборов и ИИС.
Техническое задание (ТЗ). Техническое предложение. Эскизный проект, технический проект, рабочая документация [Л.7, с.7 - 13].
Цикл проектирования системы. Язык проектирования. Требования
пользователей и функциональная спецификация [Л.11, с.18 - 52].
Тема 4. Основы проектирования приборов.
Выбор метода измерения и формирование структурной схемы
[Л.1, с.44 - 49; Л.13, с.24 - 31].
Выбор чувствительного элемента [Л.1, с.53 - 56; Л.13, с.21 - 24]. Принципы конструирования приборов [Л.13, с.31 - 32; Л.7, с.13 - 19].
Тема 5. Расчет характеристик приборов и систем.
Общие понятия. Методы расчета статических характеристик [Л.1, с.49
- 88; Л.2, с.18 - 44; Л.13, с.46 - 52].
Методы расчета динамических характеристик. Оптимизация параметров приборов и систем [Л.1, с.88 - 101, 147 - 159; Л.2, с.44 - 98; Л.13, с.52 64].
Тема 6. Расчет погрешностей приборов и систем.
Определение погрешностей измерительного звена по его расчетной
характеристике [Л.1,с.108 - 121; Л.2, с.102 - 107; Л.13, с.69 - 75].
Определение погрешностей прибора по структурной схеме [Л.1, с.124 144; Л.2, с.108 - 125; Л.13, с.75 - 79].
Расчет допусков на погрешность прибора [Л.13, с.79 - 84].
Тема 7. Общая характеристика измерительно-вычислительных комплексов.
Структуры ИВК. Характеристики ИВК. Принципы формирования
комплексов получения информации [Л.20, с.20 - 40].
Тема 8. Средства системного обмена.
Общая характеристика интерфейсов. Классификация интерфейсов
[Л.20, с.69 - 75; Л.21, с.8 - 10, 28 - 30].
Системные интерфейсы [Л.21, с.31 - 48].
Интерфейсы магистрально-модульных мультипроцессорных систем
[Л.21, с.228 - 240].
Интерфейсы периферийного оборудования. Интерфейс ИРПР. Интерфейс ИРПС [Л.21, с.55 - 66].
Интерфейсы программируемых приборов. Общее построение интерфейса Hewlett-Packard [Л.21, с.167 - 177].
Интерфейсы системы КАМАК [Л.21, с.187 - 211].
Структуры средств системного обмена [Л.20, с.84 - 97].
Тема 9. Субкомплексы.
Групповые нормирующие преобразователи. Субкомплексы с программируемой структурой. Структуры измерительной части СПС. Реализация
структур субкомплексов [Л.20, с.97 - 128].
Примерный перечень лабораторных работ
1. Изучение и исследование интерфейса ИРПР.
2. Изучение и исследование интерфейса ИРПС.
3. Изучение и исследование приборного интерфейса.
4. Изучение и исследование контроллера интерфейса IEEE-488.
5. Изучение учебного микропроцессорного комплекта УМК.
6. Изучение и исследование ЦАП.
7. Изучение и исследование АЦП.
8. Вычисление барометрической высоты и истинной воздушной скорости.
9. Изучение и исследование ИВК в составе навигационного автомата воздушного счисления пути.
10. Решение полярного треугольника светила.
11. Изучение и исследование ИВК в составе горизонтального астрокомпаса.
12. Изучение и исследование ИВК в составе горизонтального астроориентатора.
13. Изучение и исследование ИВК «Курсор». Работа с внешними дискретными устройствами.
14. Исследование метрологических характеристик ИВК «Курсор». Работа с
драйверами ввода-вывода аналоговых сигналов.
Электронные версии методических пособий по проведению лабораторных занятий приведены в директории Um_pris\lab\ .
Конспект лекций
Глава 1. Основные термины и определения
Измерительная техника является важнейшим фактором научного и
технического прогресса во всех областях народного хозяйства. Электроизмерительная техника, как часть измерительной техники, имеет особое значение благодаря широким возможностям, которые делают ее универсальной.
Электрическими методами измеряются практически все физические
величины - электрические и неэлектрические. Диапазон измеряемых физических величин довольно велик: силы тока от 10-16 А до сотен тысяч ампер;
напряжения от 10-9 В до десятков миллионов вольт; сопротивления от сотых долей микроома до 1016 Ом и т. д.
Разнообразны условия измерений - от благоприятных условий метрологических лабораторий до очень тяжелых промышленных, полевых,
транспортных. Различны и требования к точности результатов измерений.
Еще сравнительно недавно измерения электрических величин с погрешностями, не превышающими 0.1-0.01% , производились только в лабораторных условиях. В настоящее время такая точность необходима и при промышленных измерениях.
Проникновение микропроцессоров в измерительную технику улучшило многие характеристики средств измерений, придало им новые свойства.
С помощью микропроцессорных систем достигаются многофункциональность приборов, упрощение управления измерительной процедурой, автоматизация регулировок, самокалибровка и автоматическая поверка, улучшение метрологических характеристик, выполнение вычислительных операций, статистическая обработка результатов наблюдений, создание программируемых, полностью автоматизированных приборов.
В современной промышленности для оптимального управления технологическими процессами требуется получение информации о большом
числе параметров объектов, а также оперативная обработка этой информации. Это привело к появлению и развитию сложных систем, предназначенных для автоматического сбора и переработки информации. Такие системы получили название измерительных информационных систем (ИИС).
Предмет курса, понятие «измерение»
Метрология - наука об измерениях, методах и средствах обеспечения
их единства и способах достижения требуемой точности.
Измерение - нахождение значения физической величины опытным путем с помощью специальных технических средств.
Физическая величина - свойство, общее в качественном отношении
многим физическим объектам, но в количественном отношении - индивидуальное для каждого объекта. Например, электрическое напряжение - это
свойство, в качественном отношении общее для всех источников электрической энергии - от гидроэлектростанции до батарейки наручных часов; в
количественном отношении напряжения источников различны.
Значение физической величины - оценка физической величины в виде
некоторого числа принятых для нее единиц. Например, значение напряжения (не «величина напряжения»!) 220 В. Число 220 называется числовым
значением, В – вольт - единица напряжения.
Истинное значение физической величины - значение физической величины, которое идеальным образом отражает в качественном и количественном отношениях соответствующее свойство данного объекта. Истинное значение практически недостижимо.
Действительное значение физической величины - значение, полученное экспериментальным путем и настолько приближенное к истинному,
что для данной цели может быть использовано вместо него.
Единица физической величины - физическая величина, которой по
определению присвоено значение 1. Единицы физических величин делятся
на основные, выбираемые произвольно при построении системы единиц, и
производные, образуемые в соответствии с уравнениями связи с другими
единицами данной системы единиц.
Система единиц физических величин - совокупность основных и производных единиц, относящаяся к некоторой системе величин. В нашей
стране действует ГОСТ 8.417-81 «Единицы физических величин», которым
установлено обязательное применение Международной системы единиц
СИ, принятой в 1960 году 11 Генеральной конференцией по мерам и весам.
Проектирование информационных систем - дисциплина знакомит студентов с устройством различных измерительных информационных систем,
принципами их построения и применения, методами проектирования.
Прежде чем рассматривать непосредственно методы измерений, остановимся на понятии «измерение» в общем смысле слова. Измерение - это
процесс сравнения двух величин и выражение результата измерения цифрой, имеющей размерность.
Структурные схемы средств измерений
Структурная схема элементарной базовой системы измерения представлена на рис.1.1. Здесь Ч - чувствительный элемент, который воспринимает воздействие объекта; М - мерный элемент, хранитель эталона; СР1 сравнивающий элемент {сравнивает две величины X'(t) и Xэт(t)}; И - исполнительный элемент - конечный элемент, несущий сигнал в необходимой форме.
Рис.1.1. Структурная схема элементарной
базовой системы измерения
В результате измерения получим именованное число. Например, размер детали Хиз = 20 мм, а задано Хз = 18 мм. Разность  = Хиз - Хз = 20 - 18
= 2 мм, где  - отклонение от нормы. Одного процесса измерения мало,
необходимо вести контроль. Определяя отклонение , мы определяем,
например, необходимую подачу для снятия излишнего металла (2 мм).
В простейшем случае эти операции выполняет человек. При автоматизации производственных процессов операция контроля поручается самому
измерительному прибору.
Структурная схема элементарной базовой системы контроля представлена на рис.1.2. Схема содержит систему измерения и задающий элемент З - задатчик нормы измеряемой величины, а также CР2 - второе сравнивающее устройство.
Рис.1.2. Структурная схема элементарной
базовой системы контроля
Контроль является составной операцией: а) измерение величины,
б) сравнение измеряемой величины с нормой. Результатом является не величина, а отклонение ее от нормы.
Задающий сигнал Хз(t) может быть 3-х видов: 1) const; 2) f(t) - заданная
функция времени; 3) f(t) = ? - неизвестная функция. В первом случае речь
идет о стабилизирующем контроле, когда определяется отклонение от постоянной величины. Во втором случае определяется отклонение от заданной функции времени f(t) - программный контроль. В третьем случае
определяется отклонение от заранее неизвестной, но существующей функции - следящий контроль.
Если полученное в процессе контроля отклонение от нормы подать на
вход автоматического устройства (например, автоматического станка), то
получим схему автоматического регулирования, с помощью которой отклонение от нормы не будет превышать заданного значения (в идеальном
случае стремится к нулю).
Структурная схема элементарной базовой системы регулирования
представлена на рис.1.3. Здесь СК - система контроля, ПР - преобразователь.
Рис.1.3. Структурная схема элементарной
базовой системы регулирования
В данном случае осуществляется регулирование по  или по (/Х) =
( - рассогласование), т. е. процесс (объект) регулируется по отклонению.
Также, как и для системы контроля, Хз(t) может быть трех видов: 1) const;
2) f(t) - заданная функция времени; 3) f(t) = ? - неизвестная функция.
В первом случае речь идет об автомате стабилизации, 2) - о программном
регулировании, 3) - о синхронно-следящем регулировании.
Воздействовать на вход объекта или на процесс можно и с помощью
системы управления.
Структурная схема элементарной базовой системы управления представлена на рис.1.4. Здесь упр - сигнал управления (с какого-то носителя
информации, например магнитной ленты). Управление рассматривается
как воздействие на управляемый процесс по определенной программе.
Рис.1.4. Структурная схема элементарной
базовой системы управления
Для управления современными технологическими процессами, объектами приходится измерять несколько параметров (может быть несколько
сотен) и по ним принимать решение о воздействии на объект. Чем выше
уровень автоматизации, тем больше различных вычислительных операций
выполняют сами приборы. В этом случае необходимым звеном в системе
измерения является вычислительное устройство.
Виды измерений
Измерения могут быть прямыми, косвенными, совокупными, совместными. При прямых измерениях процесс измерения производится над самой
измеряемой величиной, имея в виду то или иное ее проявление. При косвенных измерениях значение искомой величины Х определяется расчетным
путем на основании прямых измерений других величин, связанных с измеряемой известной зависимостью. При совокупных измерениях значения нескольких искомых величин определяются на основе прямых или косвенных измерений других величин путем решения системы соответствующих
уравнений. При совместных измерениях производят одновременно измерения двух или нескольких неодноименных величин для нахождения зависимости между ними.
Виды погрешностей измерений и источники их появления
Обязательными компонентами любого измерения являются:
1) физическая величина, значение которой нужно измерить; 2) единица
физической величины; 3) метод измерения; 4) средство измерения;
5) наблюдатель (ЭВМ); 6) условия окружающей среды; 7) результат измерения.
Погрешность вызывается совместным изменением перечисленных
выше компонент в процессе измерения физической величины.
Результат измерения Х представляет собой лишь оценку измеряемой
величины, в нем заключена некоторая погрешность
 = Х - Хи.
(1.1)
Так как истинное значение Хи неизвестно, то
 = Х - Хд.
(1.2)
Здесь Хд - действительное значение измеряемой величины;  - абсолютная погрешность измерения.
Часто погрешность выражается в относительных единицах, %
 = (/Х) 100  (/Хд) 100.
(1.3)
Точность измерений - это качество измерений, отражающее близость
их результатов к истинному значению измеряемой величины. Количественно точность измерений может быть выражена значением, обратным
модулю относительной погрешности: Т = 1/. Высокая точность измерений соответствует малым значениям погрешности.
Погрешности косвенных измерений
Пусть результат измерения Х есть функция некоторых величин A, B,
C, ..., полученных в результате прямых измерений с погрешностями A,
B, C, ... . При этом считаем, что «первичные» погрешности A, B, C,
... малы по сравнению со значениями самих величин и взаимно независимы. Итак, имеем
X = f(A, B, C, ...) .
(1.4)
Здесь A = AO + A, B = BO + B, C = CO + C, ...; AO, BO, CO, ... - истинные значения измеренных величин.
Раскладывая уравнение (1.4) в ряд Тейлора, ограничиваясь первыми
членами разложения и вычитая из полученного уравнения уравнение (1.4),
получим выражение для погрешности косвенных измерений в следующем
виде
X = (df/dA)A + (df/dB)B + (df/dC)C + ...
(1.5)
Коэффициенты df/dA, df/dB, df/dC, ... называют коэффициентами влияния, показывающими степень влияния первичных погрешностей
A,B,C, ... на результирующую погрешность Х.
Иногда текущие значения первичных погрешностей A, B, C неизвестны, а известны лишь их предельные значения. В этом случае погрешность косвенных измерений вычисляют по уравнению (1.6).
X = (df / dA) 2  A2  (df / dB ) 2  B 2  (df / dC ) 2  C 2  ...
(1.6)
Систематические погрешности
Систематическими называют погрешности, остающиеся постоянными
или изменяющиеся по определенному закону при повторных измерениях
одной и той же величины. Они могут быть изучены, результат измерения
может быть уточнен или путем внесения поправок, если числовые значения этих погрешностей определены, или путем применения таких способов измерения, которые дают возможность исключить влияние систематических погрешностей без их определения.
Случайные погрешности
Случайными называют погрешности, изменяющиеся случайным образом при повторных измерениях одной и той же величины. Случайные погрешности не могут быть исключены из результатов измерений как систематические погрешности. Однако при проведении некоторого числа повторных измерений теория вероятности позволяет несколько уточнить результат, т. е. найти значение измеряемой величины более близкое к истинному, чем результат одного измерения.
Глава 2. Характеристики средств измерений
Классификация средств измерений
Все средства измерений делятся на меры, измерительные преобразователи, измерительные приборы, измерительные установки и измерительные
системы. В свою очередь, каждое из средств измерений может быть образцовым или рабочим.
Мерой называется средство измерения, предназначенное для воспроизведения физической величины заданного размера (значения). Меры бывают однозначные, многозначные и наборы.
Однозначные меры воспроизводят физическую величину одного размера. Многозначные ряд одноименных величин разного разряда (например, конденсатор переменной емкости).
Набор мер содержит комплект мер, применяемых как в отдельности,
так и в различных сочетаниях. Набор мер, конструктивно объединенный в
одно целое с переключающими устройствами для воспроизведения ряда
одноименных величин различного значения (размера), называется магазином (магазин сопротивлений и др.).
Измерительными преобразователями называют средства измерений,
предназначенные для выработки сигналов в форме, удобной для передачи,
дальнейшего преобразования, обработки, хранения, но не поддающиеся
непосредственному восприятию наблюдателем.
Измерительными приборами называют средства измерений, предназначенные для выработки сигналов, функционально связанных с измеряемыми физическими величинами, в форме, доступной для восприятия
наблюдателем.
Измерительной установкой называется совокупность функционально
и конструктивно объединенных средств измерений и вспомогательных
устройств, предназначенных для рациональной организации измерений.
Измерительная установка позволяет предусмотреть определенный метод
измерения и заранее оценить погрешность.
Измерительная информационная система представляет собой совокупность средств измерений и вспомогательных устройств, предназначенную для автоматического сбора информации от ряда источников с многократным использованием измерительных преобразователей, передачи измерительной информации на те или иные расстояния по каналам связи и
представления ее в том или ином виде.
Рабочие средства измерений применяются для измерений не связанных с поверкой, т. е. передачей размера единиц.
Образцовые средства измерений служат для поверки других средств
измерений, т. е. для передачи размера единицы физической величины.
По точности образцовые средства измерений делятся на четыре разряда,
каждый из которых соответствует одной ступени поверочной схемы.
Среди образцовых средств измерений особое место занимает эталон
единицы физической величины, который предназначен для воспроизведения и хранения единицы физической величины с целью передачи ее размера нижестоящим по поверочной схеме средствам измерений.
Средства измерений можно классифицировать по весьма разнообразным признакам, которые в большинстве случаев взаимно независимы и в
каждом средстве измерений могут находиться почти в любых сочетаниях.
Признаки классификации: 1) принцип действия; 2) способ образования
показаний; 3) точность; 4) условия применения; 5) степень защищенности
от внешних магнитных и электрических полей; 6) прочность и устойчивость против механических воздействий и перегрузок; 7) чувствительность; 8) пределы и диапазоны измерений и т. д.
Рассматривая приборы в виде, представленном на рис.1.1-1.2, их можно также классифицировать по следующим признакам:
1) по воспринимающей способности, 2) по виду сравнивающего элемента (по методу сравнения), 3) по типу задающего элемента.
Воспринимающая способность зависит от характера входной величины. Х(t) может быть следующих видов: 1) Х=const; 2) Х=var: а) среднее
значение – медленно меняющаяся величина; б) флуктуации (пульсации);
в) переходный процесс.
Приборы, измеряющие постоянные величины, можно назвать приборами статических измерений. Приборы, которые измеряют переменные, но
средние по значению величины, называют квазистатическими. Приборы,
которые измеряют флуктуации и переходный процесс, называют динамическими.
Выбор вида чувствительного элемента зависит от типа входного воздействия. Кроме того, вид чувствительного элемента определяется областью применения прибора. Приборы для измерения напряжения, давления,
температуры и др. имеют разные виды чувствительных элементов.
Метод сравнения - это существо процесса измерения. Поэтому методы
сравнения часто называют методами измерения. Различают следующие
методы измерения.
1) Метод непосредственной оценки - когда значение измеряемой величины определяется непосредственно по отсчетному устройству одного
(прямые измерения) или нескольких (косвенные измерения) приборов, заранее проградуированных в единицах измеряемой величины. Этот метод
самый неточный.
2) Приборы метода сравнения: а) дифференциальной реализации,
б) нулевой реализации, в) совпадения.
Прибор дифференциальной реализации - это прибор метода сравнения,
когда производится неполное уравновешивание и небольшая разность
между уравновешиваемыми величинами оценивается прибором непосредственной оценки. Примером могут служить неуравновешенные мосты.
Прибор нулевой реализации - это прибор метода сравнения, когда производится полное уравновешивание двух величин (в пределах чувствительности указателя равновесия). Вместе с тем он называется компенсационным (компенсируем до нуля). Примером могут служить уравновешенные мосты, потенциометры.
Прибор совпадения - это прибор метода сравнения, в котором равномерно нанесенные отметки или периодически следующие сигналы, соответствующие измеряемой величине, сопоставляются с подобными же отметками или сигналами, относящимися к известной величине, и по их совпадению судят о значении измеряемой величины. Здесь примером могут
служить нониусные приборы, стробоскопы, электронные осциллографы.
Для приборов контроля по типу задающего элемента мы уже рассматривали: стабилизированный, программный, следящий контроль.
Эти три элемента (чувствительный, сравнивающий, задающий) дают
основу классификации средств измерений.
Статические характеристики средств измерений
Измерительные приборы можно рассматривать как преобразователи
измеряемой величины X(t) в выходной сигнал У(t) (рис.2.1).
Рис.2.1. К определению статической характеристики прибора
В динамическом режиме измерения величины X(t) и У(t) непрерывно
изменяются, связь между ними определяется дифференциальным уравнением. В установившемся режиме измерения все производные величин X и
У обращаются в нуль, и дифференциальное уравнение переходит в алгебраическое, выражающее статическую характеристику прибора (функцию
преобразования, градуировочную характеристику):
У = f(X).
(2.1)
Уравнение (2.1) называют основным уравнением прибора. Графическое изображение статической характеристики прибора приведено на
рис.2.2.
Рис.2.2. Статическая характеристика прибора
Функция преобразования позволяет определить важные свойства средства измерения. Любой прибор имеет пределы измерения - наименьшее и
наибольшее значения измеряемой величины, которые могут быть измерены данным средством измерений. Абсолютное значение диапазона измерений Xдиап определяется как разность верхнего (XВ) и нижнего (XН) пределов измерения:
Xдиап =  Xв - Xн .
(2.2)
При выходе X за пределы диапазона измерения выходной сигнал У
обычно сохраняет постоянное значение благодаря наличию упоров или
вследствие насыщения. Диапазон измерения может быть выражен и в единицах выходной величины:
Удиап =  Ув - Ун .
(2.3)
Здесь Ув и Ун - значения У, отвечающие Xв и Xн.
Чувствительностью прибора называется предел отношения приращения выходной величины к приращению входной величины, когда последнее стремится к нулю:
S = lim (У/X) = dУ/dX = (my/mx)tg.
(2.4)
X0
Здесь my и mx - масштабы графика по осям У и X; - угол наклона касательной к характеристике в заданной точке.
Средней чувствительностью прибора называется отношение абсолютных величин диапазонов измерений на выходе и на входе:
Sср = Удиап/Xдиап = (my/mx)tg1.
(2.5)
Здесь 1 - угол наклона хорды, стягивающей две точки статической характеристики, соответствующие нижнему и верхнему пределам измерений.
У приборов с линейной характеристикой чувствительность в любой
точке характеристики совпадает по значению со средней чувствительностью:
Sср = S = Удиап/Xдиап.
(2.6)
Некоторые приборы (вследствие влияния сил трения, люфтов или других причин) обладают зоной нечувствительности. В этом случае вводится
понятие порога чувствительности, который равен минимальному приращению измеряемой величины X, при котором выходной сигнал У начинает
изменяться.
Рассмотрим другие общие свойства и характеристики средств измерений. Отсчетное устройство прибора предназначено для наблюдения значений измеряемой величины. У стрелочных приборов отсчетное устройство состоит из шкалы и указателя. Шкалой называется совокупность отметок (штрихов), расположенных в определенной последовательности, и
проставленных у некоторых из них чисел отсчета. Расстояние между двумя
соседними штрихами называется делением шкалы. Разность значений измеряемой величины, соответствующая двум соседним отметкам, называется ценой деления.
Цена деления Ц равномерной шкалы равна конечному значению измеряемой величины по шкале Ак, деленному на число делений n:
Ц = Ак/n.
(2.7)
Цену деления обычно выбирают кратной погрешности прибора:
Ц = 2 или Ц = 4.
(2.8)
Вариацией показаний прибора называют наибольшую разность между
показаниями, полученными при многократно повторенных измерениях одной и той же величины.
Входное сопротивление прибора характеризует реакцию входного сигнала на подключение данного прибора к источнику входного сигнала с
фиксированным выходным сопротивлением. Входное сопротивление зависит от частоты, на которой производится измерение (ZВХ - комплексное
сопротивление).
Выходное сопротивление - характеризует реакцию выходного сигнала
на подключение к выходным зажимам фиксированной нагрузки.
Возникает необходимость согласования выходного сопротивления источника сигнала и входного сопротивления прибора.
Стабильность средства измерения является качественным показателем, отражающим неизменность во времени его метрологических свойств.
Надежностью средства измерения называется свойство выполнять
свою функцию, сохраняя установленные эксплуатационные характеристики в определенных пределах в течение заданного времени, в заданных
условиях. Надежность характеризуется средним временем безотказной работы при установленной доверительной вероятности.
Помехоустойчивость - свойство прибора правильно воспроизводить
значение измеряемой величины при наличии внутренних (флуктуации,
фон) и внешних помех.
Диапазон рабочих частот - полоса частот, в пределах которой погрешность прибора нормирована.
Динамические характеристики средств измерений
К динамическим характеристикам средств измерений относятся дифференциальное уравнение, переходная характеристика, передаточная
функция, совокупность амплитудно- и фазочастотных характеристик, время установления показаний и др.
Погрешности средств измерений
При измерениях всегда получают приближенное значение измеряемой
величины. Погрешности средств измерений можно классифицировать по
различным признакам: по размерности, по характеру связи между значением погрешности и уровнем сигнала, по закономерности появления при
многократных испытаниях средств измерений, по условиям и причинам
появления.
Классификация погрешностей по размерности. В зависимости от размерности различают
- абсолютные погрешности,
- относительные погрешности,
- относительные приведенные погрешности.
Абсолютные погрешности средств измерений могут быть выражены
или в единицах измеряемой величины X (см. уравнения 1.1-1.2), или в единицах выходного сигнала У. Такой способ выражения погрешности удобен
для случаев, когда в результат измерения вводится поправка, или результат
измерения выражается в логарифмической форме в децибелах.
Относительные погрешности также могут рассматриваться по отношению к Х (см. уравнение 1.3) или к выходному сигналу У, %:
y = (y/У) 100  (y/Уд) 100.
(2.9)
Если характеристика прибора линейна и проходит через начало координат, то y = .
Для измерительных приборов электрических величин относительную
погрешность часто выражают в виде приведенной погрешности :
 = (/XN) 100.
(2.10)
Здесь ХN - нормирующее значение величины, равное верхнему пределу
измерения, диапазону измерения, длине шкалы и т.д.
Классификация погрешностей по характеру связи между значением
погрешности и уровнем сигнала. По данному признаку различают
- аддитивные
( y = a ),
- мультипликативные ( y = bX ),
- степенные
( y = CXm ),
- периодические
[ y = ASin(kX) ] погрешности.
Здесь a, b, C, m, A, k - const. Погрешность может быть комбинированной.
Классификация погрешностей по закономерности их появления при
многократных испытаниях измерительных устройств. По данному признаку различают систематические и случайные погрешности.
Систематические погрешности имеют определенное значение в каждой точке характеристики измерительного устройства и повторяются при
его многократных испытаниях в одних и тех же условиях.
Случайные погрешности - это погрешности, имеющие рассеяние по
значению и знаку при многократных испытаниях в одних и тех же условиях, причем появление тех или иных значений случайных погрешностей
при единичных замерах незакономерно.
Классификация погрешностей по причинам их появления. По данному
признаку погрешности можно разделить на две группы: методические и
инструментальные погрешности.
Методические погрешности возникают вследствие: 1) неточности принятого функционала метода измерения; 2) изменения физических параметров, принимаемых за константы; 3) неполного учета физических параметров, влияющих на метод измерения; 4) искажения измеряемых величин,
вызванных влиянием внешних условий; 5) искажения измеряемых величин, вызванных относительным движением тел и среды; 6) естественных и
организованных помех.
Инструментальные погрешности возникают вследствие: 1) несовершенства технологического процесса изготовления прибора; 2) изменения
геометрических размеров и физических характеристик деталей и узлов
прибора при изменении окружающих условий; 3) изменения характеристик прибора при изменении режимов питания.
Классификация погрешностей по условиям их появления. По данному
признаку погрешности можно разделить на две группы: статические и динамические погрешности.
Статические погрешности возникают при установившемся режиме измерения, когда измеряемая величина Х и выходной сигнал У сохраняют
постоянное значение.
Динамические погрешности имеют место при неустановившемся режиме измерения. Под динамической понимают ту часть погрешности, которая добавляется к статической погрешности в неустановившемся режиме
измерения.
Классификация погрешностей по условиям применения средств измерений. По условиям применения средств измерений различают основную и
дополнительную погрешности.
Основная погрешность имеет место при нормальных условиях, которым отвечают нормальные климатические условия (давление воздуха
760 мм рт. ст., температура 20± 5oС, влажность 20-60 %), нормальное положение прибора (горизонтальное или вертикальное), отсутствие переносных линейных и угловых ускорений, номинальный режим питания и т. п.
Основная погрешность возникает под влиянием многих факторов, она
формируется на всех этапах проектирования и изготовления измерительного устройства.
Дополнительной называется та часть погрешности, которая добавляется к основной погрешности при отклонении условий работы измерительного устройства от нормальных.
Нормирование метрологических характеристик
Метрологическими называются характеристики средств измерений,
оказывающие влияние на результаты и погрешности измерений. Метрологические характеристики нормируются, т. е. им предписываются определенные числовые значения для данного типа средств измерений, работающих в определенных условиях.
К нормируемым метрологическим характеристикам относятся:
1) пределы измерения (диапазон); 2) цена деления равномерной шкалы
(при неравномерной шкале - минимальная цена деления); 3) выходной код,
число разрядов, цена единицы наименьшего разряда кода приборов с цифровым отсчетом; 4) вариация показаний; 5) погрешность прибора (систематическая и случайная составляющие, суммарная погрешность);
6) входное и выходное сопротивления; 7) время установления показаний и
др.
Для средств измерений электрических величин широко применяется
понятие предел допускаемой погрешности средств измерений, соответствующий наибольшей (без учета знака) его погрешности, при которой
средство измерений может быть признано годным. Это относится как к основной, так и к дополнительной погрешностям. Например, пределы допускаемой приведенной погрешности вольтметра класса точности 1.0 равны
±1% верхнего предела измерений.
В соответствии с ГОСТ 8.401-80 пределы допускаемой абсолютной
основной погрешности устанавливаются:
доп =  а
(2.11)
или
доп =  (а + bX) .
(2.12)
Здесь X - значение измеряемой величины; а, b - положительные числа, не
зависящие от X.
Пределы допускаемой относительной основной погрешности устанавливаются:
доп =  с
(2.13)
или
доп =  [c + d(Xk/X - 1)] .
(2.14)
Здесь c и d - положительные числа; Xk - конечная отметка предела измерения.
Пределы допускаемой приведенной погрешности устанавливаются по
формуле (2.13).
Можно пределы допускаемой относительной основной погрешности
выражать в децибелах:
доп = Alg(1 + /X).
(2.15)
Здесь A - коэффициент, равный 10 при измерении мощности и 20 - при
измерении напряжения, силы тока.
Средствам измерений часто устанавливается класс точности, которым
называется обобщенная характеристика, определяемая пределами допускаемых основной и дополнительных погрешностей, а также другими свойствами, влияющими на точность, значения которых установлены в стандартах на отдельные подгруппы или виды средств измерений. При этом
класс точности характеризует точность средства измерений, но не является
непосредственным показателем точности измерений, выполняемых с помощью этих средств.
Для средств измерений, у которых основную погрешность нормируют
в виде предела приведенной погрешности, класс точности прибора Кп численно равен наибольшей допустимой приведенной основной погрешности,
выраженной в процентах:
Кп = max .
(2.16)
Класс точности присваивают из ряда: 110n; 1.510n; 210n; 2.510n; 410n;
510n; 610n, где n = 1; 0; -1; -2 и т. д.
Из (2.16) следует, что значение максимальной допускаемой абсолютной погрешности данного прибора можно вычислить по его классу точности:
max = ± КпXN/100.
(2.17)
Автоматизированные информационные системы
Для современного этапа развития измерительной техники характерно
все более широкое внедрение автоматизации измерений. К числу решаемых при этом задач относятся: 1) многофункциональность средств измерений; 2) программное управление; 3) автоматическое переключение пределов измерений и полярности; 4) минимизация числа органов управления;
5) самоконтроль и автокалибровка; 6) дистанционное управление;
7) выполнение вычислительных операций и математических преобразований; 8) автоматическая коррекция систематических погрешностей; 9) проведение косвенных и совокупных измерений с отображением непосредственно
результата
измерений;
10) запоминание
выборок;
11) статистическая обработка результатов наблюдений; 12) автоматическая
регистрация; 13) выдача результатов измерений в цифровом коде - возможность ввода в ЭВМ; 14) ослабление действия влияющих величин;
15) повышение общей и метрологической надежности; 16) выдача сигнальной информации о выходе измеряемого значения за допускаемые пределы; 17) защита от перегрузок; 18) возможность организации совокупности средств измерений в автоматическую измерительную систему;
19) построение систем автоматического сбора данных от многих источников с обработкой и анализом параметров; 20) автоматизация поверочной
процедуры.
Решение задач автоматизации измерений на качественно новой основе
стало возможным вследствие применения в средствах измерения микропроцессорных систем и микроЭВМ.
Государственная система приборов и агрегатные комплексы.
Основные блоки измерительных систем
Повышение требований к качеству и количеству средств измерений
привело к системному подходу при их создании, который преследует цель
минимизировать расходы с учетом затрат при производстве и применении
средств измерений. Работы в этом направлении привели к созданию Государственной системы промышленных приборов и средств автоматизации
(ГСП). ГСП определяется как совокупность изделий, предназначенных для
использования в промышленности в качестве технических средств автоматических и автоматизированных систем контроля, измерения, регулирования и управления технологическими процессами.
ГСП охватывает все устройства, обеспечивающие формирование сигналов - носителей информации о значениях характеристик объекта управления (первичные преобразователи, датчики), нормирование сигналов
(вторичные преобразователи, «нормализаторы»), функциональное преобразование в аналоговой или цифровой форме (функциональные преобразователи и процессоры), коммутацию, аналого-цифровое и цифро-аналоговое
преобразование (коммутаторы, АЦП и ЦАП) и реализацию требуемого
воздействия на объект (исполнительные устройства).
Методологическую основу ГСП составляет система государственных
стандартов, устанавливающих общие технические требования, требования
к входным и выходным сигналам, правилам информационного сопряжения
и конструктивному исполнению.
Техническую основу ГСП составляют агрегатные комплексы, каждый
из которых представляет собой совокупность технических средств, упорядоченных по функциям и параметрам.
Наиболее рациональный принцип построения измерительных информационных систем - принцип агрегатирования. Его сущность заключается
в том, что система выполняется как агрегат, состоящий из независимых
функциональных блоков - модулей.
Каждый блок (модуль) имеет конструктивную законченность. В качестве примеров функциональных блоков можно назвать АЦП и ЦАП, цифровой вольтметр, цифровой частотомер, измерительный генератор, принтер, таймер, дисплей и т. п.
Многообразие систем, построенных на агрегатном принципе, достигается путем использования различных сочетаний, комбинаций модулей.
Предусматривается возможность наращивания структуры системы в процессе эксплуатации. Иногда модули объединяют в группы, называемые
крейтами. При построении агрегатированной системы должны быть решены две основные задачи: совместимости и сопряжения модулей (как между
собой, так и с внешними устройствами).
Для ИИС различают пять видов совместимости: информационную - согласованность входных и выходных сигналов модулей по видам и номенклатуре, информативным параметрам, уровням; конструктивную - согласованность конструктивных параметров, механических сопряжений модулей; энергетическую - согласованность напряжений и токов, питающих
модули; метрологическую - сопоставимость результатов измерений, рациональный выбор и нормирование метрологических характеристик модулей, а также согласование входных и выходных цепей; эксплуатационную согласованность характеристик модулей по надежности и стабильности, а
также характеристик, определяющих влияние внешних факторов.
Преимущества принципа агрегатирования наиболее полно проявляются, если любые модули системы можно состыковать и объединить в систему без конструктивных изменений (доработок). Для этого необходимо
унифицировать сопряжение между модулями. Такое сопряжение модулей
между собой и с устройствами обработки информации достигается посредством интерфейса.
Общая схема модульной измерительной информационной системы показана на рис.2.3.
Рис.2.3. Общая модульная структура ИИС
Система разбита на модули, которые соответствуют функциям ВХОД,
ВЫХОД, ПРЕОБРАЗОВАНИЕ СИГНАЛА, ЭВМ, КОМБИНИРОВАННАЯ АППАРАТУРА. Модули преобразования входного и выходного сигналов со-
держат компоненты, необходимые для обмена входными и выходными
сигналами с внешней средой. Примерами таких компонентов являются
аналогоцифровые и цифроаналоговые преобразователи.
Модули интерфейса ввода, ЭВМ и интерфейса вывода содержат ЭВМ
и ее компоненты, а также интерфейсные компоненты, необходимые для
связи ЭВМ с другими модулями системы. Модуль комбинированной аппаратуры содержит компоненты, необходимые для реализации остальных
функций системы.
Основные структуры измерительных информационных систем
Можно выделить конструктивные, энергетические и информационные
структуры. Первичной является структура информационных связей, которая содержит сведения о том, каким образом происходит обмен информацией. Распространенным способом представления структур информационного взаимодействия является структура информационных связей. Получили распространение каскадные (цепочные, кольцевые), радиальные и
магистральные структуры (рис.2.4), а также их комбинации.
Рис.2.4. Типовые структуры ИИС: а) каскадные, б) радиальные, в) магистральные; ЦВМ центральная вычислительная машина (устройство управления); 1, 2, 3 – компоненты ИИС
Каскадные структуры - это системы с децентрализованным управлением. Сигнал состояния предшествующего модуля является управляющим
для последующего. Это простые структуры, с их помощью достигаются
наилучшие временные характеристики.
В радиальных структурах ЦВМ определяет режимы работы модулей,
конфигурацию и параметры измерительного тракта, производит обработку
измерительной информации. Структуры имеют ограничения по наращиванию числа модулей, определяемые возможностями ЦВМ.
В магистральных структурах каждый сигнал передается по общей для
всех модулей шине - магистрали. Адресная информация показывает, к какому блоку относятся передаваемые данные. Структуры позволяют наращивать число блоков в системе.
Глава 3. Основные этапы проектирования приборов и ИИС
Существуют следующие основные стадии разработки проекта: техническое задание (ТЗ), техническое предложение, эскизный проект, технический проект, рабочая документация.
Техническое задание
Техническое задание (ТЗ) должно содержать следующие основные
сведения, характеризующие проектируемую измерительную информационную систему: основное назначение, технические характеристики, показатели качества, технико-экономические требования, стадии разработки,
принятые в данном проекте, и их состав, включая программное, методическое и метрологическое обеспечение, а также специальные требования к
системе.
К основным техническим характеристикам ИИС относятся метрологические (динамический и частотный диапазоны, погрешность, быстродействие, чувствительность, порог чувствительности), а также общетехнические (надежность, сложность, габариты, масса и т. д.). В ТЗ должны быть
приведены критерии оценки (показатели качества) этих характеристик.
Техническое предложение
Следующей основной стадией проектирования является разработка
технического предложения на проектируемую ИИС. При разработке технического предложения предусматривается выполнение следующих этапов:
1. Подбор патентных материалов, определение патентноспособности
проектируемой ИИС, анализ материалов по существующим системам,
наиболее близким к проектируемой по назначению и характеристикам.
2. Предложение возможных вариантов реализации системы, удовлетворяющих ТЗ, сравнительная оценка этих вариантов и обоснование выбора наилучшего варианта. Варианты системы могут различаться по алгоритмам сбора и обработки информации, техническим и программным
средствам, видам используемого интерфейса, модуляции сигналов и т. п.
Сравнительная оценка вариантов должна выполняться с учетом критериев
оценки показателей качества, определенных в ТЗ.
3. Разработка и анализ структурной схемы и алгоритма работы.
4. Выбор функциональных блоков проектируемой системы. Для создания ИИС целесообразно использовать готовые, выпускаемые промышленностью функциональные блоки, объединяемые в систему с помощью стандартного интерфейса. Однако при проектировании системы не всегда удается обеспечить ее всеми необходимыми стандартными функциональными
блоками и интерфейсными устройствами. В этом случае в курсовом проекте могут разрабатываться такие блоки.
5. Решение принципиальных вопросов метрологического, программного и методического обеспечения проектируемой ИИС.
6. Рассмотрение
и
утверждение
технического
предложения.
В результате выполнения предложения должен быть обоснован целесообразный путь реализации ТЗ.
Стадии разработки технического задания и технического предложения
можно отнести к системотехническому проектированию ИИС, особенностью которого является рассмотрение системы в целом с привлечением соответствующего математического аппарата. Эти стадии часто выполняются в виде научно-исследовательской работы.
Дальнейшие стадии проектирования выполняются обычно в виде
опытно-конструкторских работ (ОКР).
Эскизный проект
Стадия эскизного проектирования предусматривает создание документации, содержащей принципиальные конструктивные решения, которые
дают общее представление об устройстве и принципе работы изделия. В
необходимых случаях изготавливаются и испытываются макеты изделий.
Эскизный проект после согласования и утверждения служит основой для
разработки технического проекта или рабочей документации.
Технический проект
Стадия технического проектирования связана с созданием документации, содержащей окончательные технические решения, дающие полное
представление об устройстве разрабатываемой системы.
Рабочая документация
Завершающей является стадия создания рабочей документации на проектируемую ИИС. Она включает в себя разработку конструкторской документации на опытный образец системы, изготовление опытного образца,
проведение государственных, межведомственных или других испытаний
опытных образцов, последующие корректировки рабочей документации,
подготовку рабочей документации и изготовление установочной серии,
массовый выпуск ИИС.
Проектирование конкретного изделия может содержать не все перечисленные стадии. Определение состава стадий выполнения проекта делается при разработке ТЗ. Необходимость в стадиях эскизного, технического
или рабочего проектирования следует оценивать при создании ИИС путем
набора стандартных функциональных блоков, интерфейсных устройств,
измерительно-вычислительных комплексов. Такая разновидность проектирования получила название компоновочного. При компоновочном проектировании могут не потребоваться стадии эскизного и технического проекта, и может также резко упроститься стадия рабочего проекта.
Цикл проектирования системы
Измерительная информационная система состоит из набора компонентов, выполняющих определенные функции по отношению к внешнему
окружению. Чтобы иметь возможность воспринимать информацию извне и
передавать ее во внешнее окружение, система должна быть связана с
внешним окружением, т. е. должна иметь входы и выходы (рис.3.1). Система состоит из аппаратных компонентов и программного обеспечения.
Рис 3.1. Общее представление системы
Первый шаг цикла проектирования включает определение набора требований пользователя и построение функциональной спецификации. Следующим шагом является проектирование системы на основе функциональной спецификации. Необходимо определить аппаратную и программную конфигурации, из каких частей должна состоять система и как эти части должны быть взаимосвязаны. Проектирование аппаратной части может
быть выполнено с использованием стандартной методологии проектирования аппаратуры.
Проектирование программного обеспечения лучше всего может быть
выполнено с использованием языка проектирования. Программное обеспечение строится путем преобразования конструкций языка проектирования
в язык программирования ЭВМ. Оно тестируется и одновременно с аппаратурой объединяется в единое целое, после чего оцениваются эксплуатационные характеристики системы.
Цикл проектирования системы показан на рис.3.2. Две части системы
часто разрабатываются параллельно, что на рисунке выглядит в виде отдельных ветвей.
Одним из основных средств снижения сложности программного обеспечения до приемлемого уровня является использование методологии системного проектирования. Кроме использования языка проектирования,
системная методология включает использование методов нисходящего и
модульного проектирования.
Рис.3.2. Цикл проектирования системы
Язык проектирования
Из наличия у системы входов и выходов можно сделать вывод о том,
что ЭВМ должна иметь возможность проверять значение каждого входа, а
также устанавливать каждый из выходов в определенное значение. На
уровне языка проектирования для операций проверки и установки используются простые конструкции:
ПРОВЕРИТЬ ВХОД ... И ХРАНИТЬ ЕГО ЗНАЧЕНИЕ
УСТАНОВИТЬ ЗНАЧЕНИЕ ВЫХОД ... РАВНО ...
Необходимо также иметь возможность проверять условия, которым
удовлетворяют хранимые значения каждого из входов. С этой целью используется условная конструкция:
ЕСЛИ УСЛОВИЕ ПРОВЕРКИ ЕСТЬ «ИСТИНА»
ТО ВЫПОЛНИТЬ ЧТО-ЛИБО
ИНАЧЕ ВЫПОЛНИТЬ ЧТО-ЛИБО ДРУГОЕ
Необходима такая операция, которая позволила бы выполнять другие
операции языка проектирования бесконечное число раз. Для этой цели используется конструкция:
ВЫПОЛНЯТЬ НЕПРЕРЫВНО
....
КОНЕЦ
В этой конструкции набор операций, расположенный между ВЫПОЛНЯТЬ НЕПРЕРЫВНО и КОНЕЦ, должен повторяться без конца. Конструкции цикла могут быть следующего вида:
ВЫПОЛНИТЬ
...
КОНЕЦ
ВЫПОЛНИТЬ ДЛЯ КАЖДОГО ... НАБОРА ПРЕДМЕТОВ
...
КОНЕЦ
ВЫПОЛНЯТЬ ПОКА УСЛОВИЕ ПРОВЕРКИ ЕСТЬ «ИСТИНА»
...
КОНЕЦ
Для выполнения операций присваивания применяются следующие
конструкции:
УСТАНОВИТЬ ... НА (В) ...
УСТАНОВИТЬ ...
СБРОСИТЬ ...
Для вызова процедур используется следующая конструкция:
ВЫЗОВ: ИМЯ ПРОЦЕДУРЫ (ВХОДНЫЕ ПАРАМЕТРЫ; ВЫХОДНЫЕ ПАРАМЕТРЫ)
Для составления процедур используется конструкция вида:
ПРОЦЕДУРА: ИМЯ ПРОЦЕДУРЫ (ВХОДНЫЕ ПАРАМЕТРЫ; ВЫХОДНЫЕ ПАРАМЕТРЫ)
НАЧАЛО ПРОЦЕДУРЫ
...
ВОЗВРАТ
КОНЕЦ ПРОЦЕДУРЫ
В заголовке между первой строкой процедуры и строкой НАЧАЛО
ПРОЦЕДУРЫ помещается дополнительная документальная информация:
1) идентификационный номер процедуры;
2) имя проектировщика;
3) дата проектирования;
4) имена всех, кто вносил изменения в проект;
5) дата внесения изменений в проект;
6) краткие сведения о том, что делает процедура, если имени процедуры недостаточно для этих целей;
7) имя модуля, которому принадлежит процедура;
8) имена всех процедур, которые вызывает данная процедура;
9) имена всех процедур, которые вызывают данную процедуру;
10) описание каждой структуры данных и параметров, которые обрабатываются данной процедурой;
11) пояснения о назначении каждого параметра в структуре данных,
если это не ясно из контекста.
Каждая подсистема, модуль, процедура, структура данных и параметр
имеют имя. Для того чтобы избежать путаницы с именами, полезно использовать список имен, в который вносится любое имя сразу после того,
как оно определено. В этот список можно вносить и обозначение того, что
представляет собой каждое имя, тогда его можно использовать как словарь
системы.
При составлении программ на языке проектирования рекомендуется
использовать смещение строк. Необходимо подчеркнуть, что язык проектирования является полностью однозначным без смещения строк. Смещение строк обеспечивает читаемость, особенно когда несколько конструкций являются вложенными. Ниже приводятся правила выполнения смещения, иллюстрированные примерами:
1) все скобки, такие как НАЧАЛО ПРОЦЕДУРЫ .. КОНЕЦ ПРОЦЕДУРЫ
и ВЫПОЛНЯТЬ .. КОНЕЦ, выравниваются;
ВЫЗОВ: СЧИТЫВАНИЕ ПЕРЕКЛЮЧАТЕЛЯ (;ПЕРЕКЛЮЧАТЕЛЬ)
ВЫПОЛНЯТЬ ПОКА ПЕРЕКЛЮЧАТЕЛЬ НЕ ВКЛЮЧЕН
ВЫЗОВ: СЧИТЫВАНИЕ ПЕРЕКЛЮЧАТЕЛЯ (;ПЕРЕКЛЮЧАТЕЛЬ)
КОНЕЦ
2) все основные операции, содержащиеся внутри пары скобок, смещаются на одинаковые расстояния;
НАЧАЛО ПРОЦЕДУРЫ
ВЫЗОВ: ИНИЦИАЛИЗАЦИЯ АППАРАТУРЫ (;)
ВЫЗОВ: ВОССТАНОВЛЕНИЕ СИСТЕМЫ (;)
ВОЗВРАТ
КОНЕЦ ПРОЦЕДУРЫ
3) слова ТО и ИНАЧЕ условной конструкции располагаются на разных строках и смещаются по отношению к слову ЕСЛИ на одинаковые расстояния; если внутри части ТО или ИНАЧЕ условной конструкции появляется отдельная операция, то она располагается на той же строке, что и слово ТО или ИНАЧЕ;
ЕСЛИ ВСЕ ЗАПИСИ КРОМЕ ПОСЛЕДНЕЙ ВЫБРАНЫ
ТО ВОЗВРАТ
ИНАЧЕ ВЫБИРАЕТСЯ СЛЕДУЮЩАЯ ЗАПИСЬ В ФАЙЛЕ
4) если внутри части ТО или ИНАЧЕ условной конструкции содержится более одной операции, то эти операции следует заключить в скобки
ВЫПОЛНИТЬ ... КОНЕЦ, причем слово ВЫПОЛНИТЬ располагается на той
же строке, что и слово ТО или ИНАЧЕ.
ЕСЛИ ТАЙМЕР В СОСТОЯНИИ ПОКОЯ
ТО ВЫПОЛНИТЬ
ВЫЗОВ: ОСТАНОВКА ТАЙМЕРА (;)
УСТАНОВИТЬ ПРОДОЛЖЕНИЕ
ВОЗВРАТ
КОНЕЦ
Требования пользователей и функциональная спецификация
Требования пользователя определяют, что пользователь хочет от системы и что она должна делать. Требования пользователя могут быть
определены путем изучения рынка сбыта на основе спроса покупателей.
Функциональная спецификация определяет, какие функции должны
выполняться для удовлетворения требований пользователя и обеспечения
интерфейса между системой и окружением. Так как система проектируется
на основе информации, содержащейся как в требованиях пользователя, так
и в функциональной спецификации, важно, чтобы функции, отображающие требуемое поведение системы, были описаны достаточно подробно.
Выявление требований пользователя и разработку функциональной
спецификации рассмотрим на примере автоматизированной системы
охранной сигнализации, приведенном в работе [11].
Предположим, что необходимо разработать автоматизированную систему охранной сигнализации. Попытаемся определить набор требований
пользователя к этой системе. Вопросы, которые задают в первый момент,
должны быть связаны только с тем, что должна делать система охранной
сигнализации. В частности, необходимо получить ответы на следующие
вопросы:
1. Какие типы нарушений необходимо обнаруживать?
2. Какие действия требуются при обнаружении нарушителя?
3. Какие другие действия необходимо предусмотреть?
Из ответов на эти вопросы можно сделать вывод относительно того,
что будут собой представлять требования пользователя. Разрабатываемая
система должна выполнять следующие действия:
1) обнаруживать, когда открывается дверь или окно;
2) обнаруживать движение внутри охраняемой зоны;
3) иметь возможность предупредить нарушителя и вызвать помощь;
4) обеспечить возможность восстановления в случае забывчивости оператора;
5) быть несложной в управлении;
6) минимизировать число ложных тревог.
Далее разрабатывается функциональная спецификация, которая должна давать ответы на следующие вопросы: Какие средства необходимо
предусмотреть для: 1) обнаружения несанкционированного открытия окна или двери? 2) обнаружения движения? 3) предупреждения нарушителя
и вызова помощи? 4) восстановления системы в случае забывчивости оператора? 5) управления системой? 6) предотвращения ложных тревог?
В рассматриваемой системе для обнаружения несанкционированного
открытия двери или окна должны использоваться контактные датчики. Для
обнаружения движения должен использоваться ультразвуковой датчик
движения. С целью предупреждения ложной тревоги движение должно
контролироваться в течение не менее пяти секунд, после чего считается,
что обнаружен нарушитель. Предупреждение оператора о том, что он обязан восстановить систему, осуществляется с помощью визуального сигнала. Если система не восстановлена в течение шестидесяти секунд, для предупреждения нарушителя и вызова помощи включается сигнал звуковой
тревоги. Для управления системой и ее восстановления должен использоваться кнопочный переключатель.
Если распределить информацию по категориям ВХОДЫ, ВЫХОДЫ,
ФУНКЦИИ, можно изобразить функциональную спецификацию в виде,
представленном на рис.3.3.
Рис.3.3. Функциональная спецификация системы охранной сигнализации
Глава 4. Основы проектирования приборов
Основой для проектирования прибора является техническое задание
(ТЗ), составленное разработчиком системы управления или контроля, в составе которой должен работать проектируемый прибор. ТЗ составляется
исходя из задач, выполняемых системой. В ТЗ указывается назначение
прибора, условия его эксплуатации, формулируются требования к его статическим и динамическим характеристикам, к точности и надежности,
оговариваются требования к конструкции и внешнему оформлению прибора.
Перед проектированием прибора изучаются имеющиеся материалы по
данной теме. Рассматривается техническая литература, посвященная физическим принципам, которые могут быть положены в основу схемы данного
прибора, изучаются схемы и конструкции ранее разработанных приборов
аналогичного назначения, оцениваются их достоинства и недостатки и
определяется степень их соответствия техническим требованиям, оговоренным в ТЗ.
Далее разрабатывается схема прибора. Производится выбор метода
получения первичной информации (выбор физического принципа и типа
чувствительного элемента) и метода преобразования выходного сигнала
чувствительного элемента в выходной сигнал прибора.
При этом определяются типы необходимых преобразующих элементов, формируются структурная и принципиальная схемы прибора. Производится выбор и теоретическое обоснование параметров схемы и конструкции прибора, для чего выполняются расчеты статических и динамических характеристик, точности и надежности прибора.
В результате этих расчетов должно быть доказано, что характеристики
прибора, его точность и надежность будут соответствовать требованиям
ТЗ. Если в какой-то части это условие не выполняется, то в ходе проектирования видоизменяют схему или отдельные ее элементы для получения
желаемых результатов. Окончательное суждение о соответствии параметров прибора требованиям ТЗ выносится по результатам всесторонних экспериментальных исследований опытных образцов прибора.
При конструировании прибора разрабатывается общий вид конструкции и производятся необходимые расчеты деталей и узлов. Производится
деталировка и выполняется анализ размерных цепей, на основании которого определяются технологические допуски на точность изготовления деталей. Исходя из условий работы прибора определяются требования к качеству обрабатываемых поверхностей, к покрытиям и т. п. После этого
оформляется полный альбом чертежей, содержащий общие виды прибора
и входящих в него сборочных единиц, электрические монтажные схемы,
спецификации и чертежи деталей. Затем составляются технические условия (ТУ) на прибор и основные его узлы. После изготовления по чертежам
опытных образцов последние подвергаются всесторонним испытаниям с
целью определения соответствия их параметров требованиям ТУ и ТЗ.
Выбор чувствительного элемента
Первичная информация получается с помощью чувствительного элемента, непосредственно воспринимающего измеряемую величину Х и преобразующего ее в некоторый сигнал У1 другой физической природы, более
удобный для дальнейших преобразований.
Для измерения некоторых физических величин существует по несколько чувствительных элементов, отличающихся принципами действия.
Поэтому выбор типа чувствительного элемента связан с выбором физического принципа, на котором основано действие чувствительного элемента.
(В название измерительного прибора часто вводят признак, характеризующий физический принцип работы чувствительного элемента, например:
«термоэлектрический термометр»).
Каждому физическому принципу свойственна определенная зависимость выходного сигнала У1 от измеряемой величины Х, а также от некоторых побочных (дестабилизирующих) факторов:
У1 = f(X, z1, z2, ..., zn).
К числу факторов z1, z2, ..., zn могут относиться температура и давление
окружающей среды, параметры режимов питания чувствительного элемента, линейные и угловые ускорения, магнитные и электрические поля и др.
При выборе физического принципа требования ТЗ по точности и
надежности должны быть реализованы с наименьшими затратами (наиболее просто) и в минимальных габаритах. С этой целью сравнивают чувствительные элементы по следующим основным критериям:
1) принципиальная возможность работы чувствительного элемента в заданном диапазоне измерения;
2) однозначность характеристики и ее стабильность (воспроизводимость);
3) наименьшее влияние на выходной сигнал побочных факторов;
4) достаточно большая выходная мощность;
5) высокая надежность (с этой точки зрения желательно, чтобы
чувствительный элемент не содержал подвижных деталей и
скользящих или разрывных электрических контактов);
6) простота конструкции и малые габариты.
Обычно механические и электромеханические чувствительные элементы имеют подвижные части, связанные с опорами или направляющими. Выходной сигнал таких элементов подвержен влиянию различных
вредных сил и моментов сил, обусловленных трением в опорах и направляющих, неуравновешенностью подвижной системы, которая проявляется
особенно сильно при линейных ускорениях и вибрациях. Отсюда следует,
что если сравниваются два чувствительных элемента (один электрический,
другой механический), обеспечивающие преобразование сигналов в нужном диапазоне и обладающие близкими точностными и габаритновесовыми характеристиками, то предпочтение следует отдать электрическому элементу, поскольку в нем отсутствуют подвижные части. Если же
сравниваются два чувствительных элемента - один контактный, другой бесконтактный, то при прочих равных условиях предпочтение отдается
бесконтактному элементу.
Рассмотрим задачу измерения температуры в диапазоне от 0 до 150oC,
для которой имеется семь видов чувствительных элементов: дилатометрический, биметаллический, жидкостный, газовый, парожидкостный, терморезисторный, термоэлектрический. Любой из перечисленных элементов
может работать в заданном диапазоне температур, однако предпочтение
следует отдать последним двум, основанным на чисто электрических
принципах. Остается выбрать один из двух элементов и здесь преимущество на стороне терморезистора, поскольку термоэлектрические чувствительные элементы в рассматриваемом диапазоне температур развивают
слишком малую термоэлектродвижущую силу.
Другой пример - измерение абсолютного давления в диапазоне от 800
до 6 мм рт. ст. Здесь также существует несколько видов чувствительных
элементов: пьезорезисторный, тепловой, электронный, газоразрядный, радиоактивный, упругий (мембрана, сильфон, трубчатая пружина). Пьезорезисторный элемент работает в области очень высоких давлений, следующие три элемента - в области очень низких давлений.
Остаются для выбора два чувствительных элемента, способные работать в заданном диапазоне: радиоактивный элемент - электрический и
упругий элемент - механический. Радиоактивный элемент имеет слишком
слабый сигнал - выходной ток равен 10-9-10-16 А и его трудно измерить с
высокой точностью. В данном случае наиболее приемлем механический
(упругий) элемент, выходным сигналом которого может служить одна из
двух величин - упругая деформация или сила.
При решении некоторых задач можно встретиться со случаями, когда
отсутствуют чувствительные элементы, позволяющие осуществить нужное
преобразование, или когда применение существующих элементов приводит к слишком грубым или громоздким решениям. В этих случаях можно
прибегнуть к методу косвенных измерений, при котором чувствительный
элемент воспринимает не измеряемую величину Х, а некоторую другую
величину Х1, связанную с Х известной функциональной зависимостью
Х1 = f1(Х).
(4.1)
Уравнение (4.1) является уравнением метода измерения. Чувствительный элемент преобразует величину Х1 в некоторый сигнал У1
У1 = f2(Х1).
(4.2)
Уравнение (4.2) является характеристикой чувствительного элемента.
По уравнениям (4.1) и (4.2) нетрудно найти зависимость У1 от Х
У1 = f2[f1(X)] = f(X).
Примером прибора, основанного на методе косвенных измерений,
служит барометрический высотомер, в котором в качестве уравнения метода измерения используется известная функциональная зависимость атмосферного давления P от высоты полета H. В интервале высот от 0 до
11 км зависимость H от P выражается формулой

Р
Н= 1   Н

 РО

R




T
 O ,



здесь H - высота полета, м; PH - абсолютное давление на высоте полета,
н/м2; P0 - абсолютное давление у поверхности Земли;  - температурный
градиент ( = 0.0065 град/м); R - газовая постоянная (R = 29.27 м/град); T0 абсолютная температура у поверхности Земли (T = 273 + toC).
При градуировке прибора параметры P0, T0,  и R считают постоянными.
Встречаются случаи, когда метод косвенных измерений дает зависимость измеряемой величины Х не от одной, а от нескольких независимых
переменных Х1, ..., Хk, каждая из которых может быть измерена своим чувствительным элементом.
Например, для указателя истинной воздушной скорости уравнение метода измерения имеет вид
K 1


 K
K  PДИН

V= 2 gRT
 1
 1 ,


K  1  РН



здесь g - ускорение силы тяжести (g = 9.81 м/с2); T - абсолютная температура на высоте полета; k - отношение теплоемкостей воздуха при постоянном давлении и постоянном объеме (k = 1.4); Pд - динамическое давление;
V - истинная воздушная скорость.
Измеряя T, Pд и PH с помощью трех чувствительных элементов, можно
определить V, считая параметры g, R, k постоянными.
Существуют измерительные информационные системы, в которых измеряемые величины являются функциями еще большего количества независимых переменных, каждая из которых измеряется своим чувствительным элементом. Например, бесплатформенная инерциальная навигационная система содержит шесть чувствительных элементов (три акселерометра и три гироскопа). Получая информацию от этих чувствительных элементов, цифровой вычислитель решает известные уравнения и определяет
широту и долготу местоположения летательного аппарата, а также ряд
других навигационных параметров.
Выбор метода измерения и формирование структурной схемы
Если прибор служит в качестве измерительного устройства с визуальным отсчетом, то его выходным сигналом должно быть угловое (линейное)
перемещение стрелочного указателя или показания цифрового отсчетного
устройства. В простейшем случае выходной сигнал чувствительного элемента служит выходным сигналом прибора. Примером является биметаллический термометр. При изменении температуры биметаллическая спираль вместе со стрелкой закручивается на достаточно большой угол, поддающийся непосредственному отсчету по шкале прибора.
Однако в большинстве измерительных приборов приходится применять дополнительные преобразователи для превращения выходного сигнала чувствительного элемента в достаточно большое перемещение стрелочного указателя или цифровой код управления электронным индикатором.
Если прибор выполняет функции датчика в системе автоматического
управления или контроля, то в простейшем случае сам чувствительный
элемент и является таким датчиком (термосопротивление, термопара).
Сложные датчики, кроме чувствительного элемента, содержат и другие
преобразователи, изменяющие род физической величины (например, механическое перемещение в электрический сигнал) и масштаб выходного
сигнала, или функциональную зависимость между входным и выходным
сигналами.
Наиболее распространены два метода преобразования выходного сигнала чувствительного элемента У1 в выходной сигнал датчика У нужной
формы и масштаба: метод последовательного преобразования и компенсационный метод.
В методе последовательного преобразования сигнал У1 преобразуется
в другой сигнал У2, затем сигнал У2 преобразуется в У3 и т. д.; в конечном
счете, получается выходной сигнал У. Вид и количество преобразований
зависят от типа чувствительного элемента и от требований к форме и масштабу выходного сигнала У.
В компенсационном методе сигнал У1 уравновешивается другим сигналом У0, создаваемым с помощью так называемого обратного преобразователя. Компенсационный метод может сочетаться с методом последовательного преобразования, например сигнал У1 преобразуется в У2, а уже
затем сигнал У2 уравновешивается сигналом У0 обратного преобразователя.
Различие между указанными методами можно проиллюстрировать с
помощью структурной схемы. Структурная схема прибора является отображением его принципиальной схемы и дает представление о видах и порядке физических преобразований, осуществляемых данным прибором в
процессе измерения. Каждый вид преобразования условно изображается на
структурной схеме отдельным звеном, являющимся элементарным преобразователем физических величин. При использовании метода косвенных
измерений преобразование, отвечающее данному методу, отображается на
структурной схеме в виде специального звена. Чтобы определить статическую характеристику прибора, необходимо определить статические характеристики всех его звеньев. Расчет характеристик звеньев ведется на основе анализа физических принципов их работы.
Звенья могут соединяться между собой одним из трех типовых способов: последовательно (рис.4.1,а) параллельно (рис.4.1,б) и встречнопараллельно (рис.4.1,в).
Рис.4.1. Типовые соединения звеньев: а) последовательное;
б) параллельное; в) встречно-параллельное; 1, 2,...n – звенья
Для встречно-параллельного соединения (рис.4.1,в) звено 2, расположенное во встречной цепи, называют обратным преобразователем. Выходной сигнал X2 обратного преобразователя может суммироваться с входным
сигналом Х с тем же знаком (положительная обратная связь) или с обратным знаком (отрицательная обратная связь).
Схемы, в которых звенья соединены последовательно или параллельно, являются разомкнутыми; схема со встречно-параллельным соединением является замкнутой. В общем случае структурная схема прибора может
содержать различные виды соединений звеньев и быть замкнутой не полностью, а на отдельных участках.
Рассмотрим особенности структурных схем, отображающих описанные выше методы преобразования сигналов. Методу последовательного
преобразования отвечает разомкнутая структурная схема (рис.4.1,а), где
звено 1 с выходным сигналом У1 является чувствительным элементом, а
остальные звенья 2, 3, ..., n - дополнительные преобразующие элементы.
Примером прибора с последовательным преобразованием сигналов
служит термоэлектрический термометр. Структурная схема прибора
(рис.4.2) содержит четыре последовательно соединенных звена: 1 - термопара (преобразует температуру  в термоЭДС е); 2 - электрическая цепь
(преобразует термоЭДС е в силу тока I); 3 - магнитоэлектрический измерительный механизм (преобразует силу тока I во вращающий момент М); 4 упругая подвижная система (преобразует момент М в угловое перемещение , являющееся выходным сигналом прибора).
Рис.4.2. Структурная схема термоэлектрического термометра
Другим примером измерительного прибора, построенного по методу
последовательного преобразования сигналов, является барометрический
высотомер (рис.4.3).
Рис.4.3. Структурная схема барометрического высотомера
В структурной схеме высотомера перед чувствительным элементом 2
включено условное звено 1, отображающее преобразование высоты H в
давление P1 в соответствии с уравнениями, лежащими в основе метода
косвенного измерения высоты. Чувствительным элементом 2 служит анероидная коробка, преобразующая давление P1 в линейное перемещение s,
которое затем преобразуется в угловое перемещение  с помощью шатунно-кривошипной передачи (звено 3), связанной с указателем. Угол  служит выходным сигналом прибора.
Структурная схема прибора, построенного по компенсационному методу, приведена на рис.4.4, которая является замкнутой на участке между
выходом чувствительного элемента У1 и выходом прибора У.
Рис.4.4. Структурная схема прибора, построенного
по компенсационному методу
Замыкание схемы осуществляется на входе звена 2 с помощью отрицательной обратной связи (выходной сигнал У0 обратного преобразователя
подается на вход звена 2 с обратным знаком). На схеме звено 1 отображает
чувствительный элемент, звено 2 - нуль-орган, звено 3 - интегрирующий
элемент, звено 4 - обратный преобразователь. Нуль-орган 2 вырабатывает
сигнал У2, пропорциональный разности (У1 - У0) с соответствующим знаком, а интегрирующий элемент 3 осуществляет интегрирование У 2 и наращивает выходной сигнал У, а вместе с ним (через обратный преобразователь) и сигнал обратной связи У0 до тех пор, пока разность (У1 - У0) не станет равной нулю; при этом система приходит в состояние равновесия.
Если известна статическая характеристика обратного преобразователя
У0 = f0(У), то для положения равновесия (когда У0 = У1) можно записать
У1 = f0(У) или У = 0(У1),
где 0 - функция, обратная f0.
Зная характеристику чувствительного элемента У1 = f1(X), нетрудно
найти характеристику всего прибора:
У = 0[f1(X)].
Примером прибора, построенного по компенсационному методу измерения, является электроемкостный топливомер (рис.4.5).
Рис.4.5. Структурная схема электроемкостного топливомера
Чувствительным элементом служит погруженный в бак с топливом
конденсатор (звено 1), емкость которого Cx зависит от высоты h уровня
топлива. Нуль-органом (звено 2) служит мостовая электроизмерительная
схема. Выходное напряжение U1 мостовой схемы усиливается усилителем
переменного тока (звено 3).
Роль интегрирующего элемента (звено 4) выполняет электродвигатель,
на вход которого подается напряжение U2. Обратным преобразователем
является потенциометр (звено 5), движок которого связан через редуктор с
электродвигателем.
Емкость чувствительного элемента Cx и сопротивление Rx потенциометра образуют два переменных плеча мостовой схемы (два других плеча
R0 и C0 - постоянные величины). Данная схема имеет некоторое отличие от
рассмотренной выше: нулевой сигнал на выходе нуль-органа имеет место
не при равенстве сигналов чувствительного элемента и обратного преобразователя, а при соблюдении условия равновесия мостовой схемы. Выходным сигналом прибора служит угол поворота выходной оси редуктора и
связанной с ним стрелки указателя.
В результате сравнения метода последовательного преобразования
сигналов с компенсационным методом можно сделать вывод, что схема
метода последовательного преобразования проще. Однако с помощью
компенсационного метода может быть получена более высокая точность,
так как в условие равновесия системы практически не входят параметры
всех остальных преобразующих элементов, кроме чувствительного элемента и обратного преобразователя. Поэтому в тех случаях, когда не требуется очень высокая точность измерения, используют метод последовательного преобразования и строят прибор по разомкнутой структуре. В
точных приборах применяют компенсационный метод и структурную схему делают замкнутой.
Практически приборы с погрешностями, превышающими 1% от диапазона измерения, строят по методу последовательного преобразования сигналов; приборы с погрешностями менее 0.1% строят по компенсационному
методу; в приборах с погрешностями от 0.1 до 1% используют как тот, так
и другой методы.
Принципы конструирования приборов
При конструировании приборов широко используются нормализованные детали (винты, гайки, шайбы и др.), радиоэлектронные элементы (резисторы, конденсаторы, диоды, транзисторы, интегральные микросхемы и
др.), узлы и готовые изделия (шарикоподшипники, электродвигатели, зубчатые редукторы, штепсельные разъемы и др.). Выбор нормализованных
изделий производится из действующих нормалей, каталогов, стандартов.
Применение нормализованных деталей и узлов сокращает время разработки, удешевляет прибор и повышает его надежность, поскольку освоенные
в крупносерийном производстве нормализованные детали и узлы имеют
более высокое качество, чем специальные, выпускаемые малыми партиями.
Эффективным средством повышения качества приборов и их удешевления является широкая унификация их конструкций. Унифицированные
приборы, благодаря их крупносерийному и массовому выпуску, лучше отработаны, в результате чего они более надежны и дешевы, чем приборы
узкого применения. Унификация конструкций приборов осуществляется в
следующем порядке. В начале производится сбор исходных данных у возможных потребителей приборов с целью выяснения необходимых диапазонов измерения, характеристик, точности, срока службы и условий эксплуатации. После этого разрабатывается и согласовывается со всеми потребителями ТЗ на проектирование унифицированного прибора. В ТЗ
определяется минимальное число типоразмеров или модификаций прибора, отличающихся диапазонами измерения и классами точности и обеспечивающих выполнение требований всех потребителей.
В процессе конструирования прибора нужно стремиться к тому, чтобы
все модификации имели по возможности единую конструкцию, а переход
от одного диапазона измерения к другому (или от одного класса точности
к другому) сопровождался минимальными изменениями, например, заменой какого-то одного узла или нескольких деталей. Эффект от унификации
тем больше, чем на более высоком уровне она проводится. Унификация
информационно-измерительной системы приводит к значительно большему выигрышу в качестве изделия и его стоимости, чем унификация отдельного прибора или датчика.
Чем выше уровень унификации, тем труднее выполнить технические
требования. Например, к навигационным системам, предназначенным для
применения на легких самолетах, предъявляются очень жесткие требования в части габаритно-весовых характеристик, но в то же время требования
к точности менее жесткие по сравнению с системами, предназначенными
для тяжелых самолетов. Если ставится задача создания унифицированной
навигационной системы, которая может быть применима на всех самолетах (легких и тяжелых), то такая система должна иметь минимальные габариты и массу, отвечающие требованиям для легких самолетов, и в то же
время обладать наивысшей точностью, удовлетворяющей требованиям для
тяжелых самолетов.
Снижение габаритных размеров и массы унифицированных систем
расширяет область их применения. Большое значение для создания унифицированных приборов имеет применение микроэлектроники с высокой
степенью интеграции. При этом уменьшаются размеры и масса прибора,
повышается надежность, снижается стоимость. Наибольший выигрыш в
объеме конструкции дают большие интегральные схемы.
Глава 5. Расчет характеристик приборов и систем
Общие понятия
Приборы и системы могут работать в статическом и динамическом
режимах. В статическом режиме измеряемая величина постоянна и выходной
сигнал
прибора
приобретает
установившееся
значение.
В динамическом режиме измеряемая величина и выходной сигнал прибора
изменяются с течением времени. Соответственно расчет характеристик
приборов и систем делится на расчет статических и динамических характеристик.
Различают заданную и расчетную статические характеристики. Заданная характеристика - это зависимость между У и Х, требуемая по техническому заданию
Узад = fзад(X).
(5.1)
Расчетная характеристика - это зависимость У от Х, полученная в результате расчета конкретной схемы и конструкции прибора
У = f(X, q1, ..., qn),
(5.2)
где q1, ..., qn - параметры схемы и конструкции, в число которых входят как
геометрические параметры (размеры деталей), так и физические параметры (модуль упругости, электропроводность, магнитная проницаемость и
т. п.).
Параметры q1, ..., qn в различных образцах однотипных приборов отличаются от номинальных значений вследствие влияния технологических
факторов в процессе изготовления приборов, а также могут изменяться в
процессе эксплуатации из-за изменения режимов питания и окружающих
условий (температуры, атмосферного давления и др.). Поэтому в уравнении (5.2) величина У является функцией многих переменных, что учитывается при анализе погрешностей.
Если в уравнении (5.2) все параметры приравнять их номинальным
расчетным значениям и считать постоянными (q1=q10, q2=q20, ..., qn=qn0), то
это уравнение будет выражать номинальную расчетную характеристику
Уном = f(X, q10, ..., qn0).
(5.3)
Если при этом учесть, что q10, ..., qn0 - постоянные, то номинальную
расчетную характеристику можно записать как функцию одного переменного
Уном = f(X).
(5.4)
Методы расчета статических характеристик
Расчет статических характеристик приборов и систем ведется в следующем порядке:
- составляется структурная схема прибора (системы);
- рассчитывают характеристики и чувствительность всех звеньев исходя из принципов их работы, схемы и конструкции;
- производят расчет характеристики и чувствительности прибора (системы) в целом, исходя из вида структурной схемы.
Характеристики звеньев определяются путем анализа физических законов, лежащих в основе их работы. Методы расчета типовых элементов
изложены в специальной литературе (например, литература по курсам
«Элементы приборных устройств», «Электроника», «Электротехника» и
др.).
Иногда характеристики элементов не поддаются точному расчету, но
могут быть определены экспериментально. В подобных случаях для получения аналитической зависимости можно применить аппроксимирующую
функцию. Например, характеристику термоэлектрического элемента, преобразующего температуру  в электродвижущую силу e, определяют по
экспериментально полученным справочным данным, в которых даны в виде таблиц значения e при различных значениях . Задаваясь аналитической зависимостью в виде полинома 2-й степени (e=1+22), можно так
подобрать коэффициенты 1 и 2, чтобы вычисленные по этой формуле
значения e приближались к табличным данным. Для более точного приближения можно выбрать в качестве аппроксимирующей функции полином 3-й степени.
После того как получены уравнения всех звеньев, входящих в структурную схему, определяется характеристика прибора в целом. С этой целью совместно решаются уравнения звеньев и уравнения дополнительных
связей между звеньями, отображающие операции суммирования или вычитания сигналов на структурной схеме.
Для типовых соединений звеньев (рис.4.1) можно вывести стандартные
формулы, выражающие статическую характеристику и чувствительность
прибора через характеристики и чувствительность звеньев.
Последовательное соединение (рис.4.1,а). Если характеристики звеньев
1, 2, ..., n выражены соответственно уравнениями
У1 = f1(X);
У2 = f2(У1);
..........
Уn-1 = fn-1(Уn-2);
У = fn(Уn-1),
(5.5)
то результирующая характеристика прибора определяется совместным решением системы уравнений (5.5):
У = fn{fn-1...f2[f1(X)]}.
5.6)
Чувствительность прибора
S = dУ/dX.
Умножим и разделим правую часть данного равенства на dУ1, dУ2, ...,
dУn-1, тогда чувствительность прибора определится как
S = (dУ1/dX)(dУ2/dУ1)..(dУ/dУn-1).
Имея в виду, что
dУ1/dX = S1; dУ2/dУ1 = S2; ... dУ/dУn-1 = Sn,
получим окончательно
n
S = S1S2...Sn = П Si.
(5.7)
i=1
Характеристику прибора можно определить и графическим путем. Для
прибора с тремя последовательно соединенными звеньями в четвертях I, П,
Ш прямоугольной системы координат строят соответственно характеристики звеньев 1, 2, 3, а затем с помощью построения определяют результирующую характеристику прибора в IV четверти. Если прибор содержит
более трех звеньев, то построение ведется в несколько этапов. В начале
находят характеристику соединения из первых трех звеньев, затем повторяют построение на другом графике, рассматривая первые три звена как
одно звено.
В качестве примера рассмотрим расчет статической характеристики
маятникового акселерометра, схема которого приведена на рис.5.1. Здесь
m, l - масса и длина маятника; Cпр - жесткость противодействующей пружины; Uo, o - напряжение питания и полный рабочий угол потенциометра;
a - измеряемое ускорение; Uвых,  - выходное напряжение и угол поворота
движка потенциометра; F - сила, действующая на массу; Mвр - вращающий
момент; Mпр - противодействующий момент. Акселерометр работает при
малых отклонениях, тогда F ma.
Рис.5.1. Схема маятникового акселерометра
Структурная метрологическая схема маятникового акселерометра приведена на рис.5.2.
Рис.5.2. Структурная метрологическая схема
маятникового акселерометра
Структурная (динамическая) схема маятникового акселерометра приведена на рис.5.3. Операция сравнения здесь как бы пропадает, хотя и показано, что Mвр = Mпр.
Рис.5.3. Структурная схема маятникового акселерометра
Характеристики звеньев 1, 2, 3, 4 выражены соответственно уравнениями
F = ma;
Mвр = Fl;
Mпр = Cпр;
Uвых = Uo/o.
(5.8)
Жесткость спиральной пружины определяется как
Cпр = bh3E/12L,
(5.9)
где L - развернутая длина, b - ширина, h - толщина, E - модуль упругости
материала спиральной пружины.
В установившемся режиме измерения
Mвр = Mпр.
(5.10)
Решая совместно (5.8-5.10), получим
mal = Cпр,
 = mla/Cпр = 12mlLa/(bh3E),
Uвых = 12mlLUoa/(obh3E).
(5.11)
Уравнение (5.11) может быть получено непосредственно по структурной схеме прибора (рис.5.3), для этого необходимо определить передаточные коэффициенты звеньев (1-4):
K1 = dF/da = m; K2 = l; K3 = d/dM = 1/Cпр; K4 = dU/d = Uo/o.
Учитывая, что Uвых = Ka, где K = K1K2K3K4, получим статическую характеристику акселерометра в виде (5.11).
Параллельное соединение (рис.4.1,б). Если характеристики n параллельных звеньев имеют вид
У1 = f1(X);
У2 = f2(Х);
........
Уn = fn(Х),
(5.12)
а уравнение связи
У = У1 + У2 + ... + Уn,
(5.13)
то статическая характеристика системы получается подстановкой уравнений (5.12) в уравнение связи (5.13):
У = f1(X) + f2(Х) + ... + fn(Х).
(5.14)
Для определения чувствительности дифференцируем уравнение (5.14)
по входной величине Х:
S = dУ1/dX + dУ2/dХ + ... + dУn/dХ.
Имея в виду, что
dУ1/dX = S1, dУ2/dХ = S2, ..., dУn/dХ = Sn,
получим
n
S = S1 + S2 + ... + Sn =  Si.
(5.15)
i=1
При графическом расчете характеристики всех параллельных звеньев
строят в прямоугольной системе координат (в 1-й четверти). Суммируя ординаты всех кривых при фиксированном значении Х, находят координаты
точек результирующей характеристики.
Встречно-параллельное соединение (рис.4.1,в). Если характеристики
двух встречно-параллельных звеньев имеют вид
У = f1(X1);
Х2 = f2(У),
(5.16)
то, решая их совместно с уравнением связи
Х1 = X ± Х2,
получим в неявном виде характеристику системы:
У = f1[X ± f2(У)].
(5.17)
В полученном уравнении знак «плюс» отвечает положительной обратной связи, знак «минус» - отрицательной.
Чувствительность системы при встречно-параллельном соединении
звеньев определяется как
S = S1/(1±S1S2).
(5.18)
Здесь знак «плюс» отвечает отрицательной обратной связи, знак «минус» - положительной.
При графическом расчете характеристики обоих звеньев строят в прямоугольной системе координат (в 1-й четверти). Суммируя абсциссы этих
кривых при фиксированном значении У, находят координаты точек результирующей характеристики.
Методы расчета динамических характеристик
При расчете динамических характеристик приборов могут решаться
задачи анализа и синтеза. Анализ динамических характеристик ведется с
целью определения характера изменения выходного сигнала прибора во
времени У(t) при известном законе изменения входного сигнала Х(t) и при
заданных параметрах прибора. Задача синтеза заключается в выборе таких
параметров прибора, при которых зависимость У(t) наилучшим образом
приближается к желаемой.
Зависимость У(t) называют реакцией прибора на воздействие Х(t). Если бы прибор был идеальным в динамическом отношении (безынерционным), то его выходной сигнал реагировал бы без запаздывания на изменение входного сигнала и воспроизводился бы в соответствии со статической
характеристикой У = f(Х), т. е.
У(t) = f[Х(t)].
(5.19)
В реальных приборах (вследствие наличия инерционных масс, демпфирования, тепловой инерции, емкостей и индуктивностей в электрических цепях и т. п.) условие (5.19) не выполняется и возникает динамическая погрешность
Удин = У(t) - f[Х(t)].
(5.20)
В общем случае для расчетного определения У(t) необходимо два
уравнения, одно из которых выражает закон изменения Х:
Х = Х(t),
(5.21)
а другое отображает физическую схему прибора и дает связь между У, Х и
их производными:
f1[У(n), У(n-1), ..., У] = f2[Х(m), Х(m-1), ..., Х],
(5.22)
где
У(n) = dnУ/dtn;
Х(m) = dmХ/dtm.
Совместное решение и интегрирование уравнений (5.21) и (5.22) позволяет определить реакцию прибора У(t) на воздействие Х(t) при заданных
начальных условиях, учитывающих состояние координаты У и ее производных в момент времени t = 0. Число начальных условий равно порядку
левой части уравнения (5.22).
Таким образом, реакция прибора У(t) зависит как от внешнего воздействия Х(t), так и от собственных свойств прибора, определяемых уравнением (5.22). Следовательно, один и тот же прибор обладает различной реакцией У(t) на разные воздействия Х(t).
Закон изменения Х(t) в условиях реальной эксплуатации прибора может быть самым различным и содержать как детерминированную, так и
случайную составляющие. В целях унификации оценок и возможности
сравнения динамических свойств различных приборов при расчетах и экспериментах принято оценивать динамические характеристики приборов
при типовых воздействиях - ступенчатом, импульсном, синусоидальном.
Реакцию прибора на ступенчатое воздействие называют переходной
функцией, а на импульсное - импульсной переходной функцией. При
определении реакции на синусоидальное воздействие обычно рассматривают только вынужденную составляющую колебаний выходного сигнала,
которую представляют в виде частотных характеристик. Чаще всего пользуются амплитудно- и фазочастотными характеристиками, показывающими зависимость амплитуды и сдвига фаз выходного сигнала от частоты
при постоянной амплитуде входного сигнала.
Дифференциальные уравнения (5.22) многих приборов являются линейными или линеаризуемыми и приводятся к виду
a0У(n)+a1У(n-1)+...+anУ = b0Х(m)+b1Х(m-1)+...+bmХ.
(5.23)
Совместное решение и интегрирование уравнений (5.21) и (5.23) позволяет определить У(t). Другой способ нахождения У(t) для приборов,
описываемых линейным дифференциальным уравнением (5.23), основан
на применении преобразования Лапласа. При этом определяется передаточная функция прибора, равная отношению лапласовских изображений
У(p) и Х(p) при нулевых начальных условиях:
W(p) = У(p)/Х(p) =
= (b0pm + b1pm-1 +...+ bm)/(a0pn + a1pn-1 +...+ an).
(5.24)
Определяется лапласовское изображение выходного сигнала в виде
У(p) = W(p)Х(p),
где Х(p) - изображение функции Х(t).
Затем находят искомую реакцию
У(t) = L-1{У(p)} = L-1{W(p)Х(p)},
где L-1 - обратное изображение функции.
В качестве примера рассмотрим движение подвижной части магнитоэлектрического измерительного механизма (гальванометра), схема которого приведена на рис.5.4.
Рис.5.4. Схема магнитоэлектрического механизма
На рис.5.4 приняты следующие обозначения: 1 - рамка, с ней связан
указатель (стрелка); 2 - постоянный магнит с полюсными наконечниками;
3 - сердечник; 4 - ось (керн); 5 - подпятник; 6 - противодействующие (токоподводящие) пружины. Для рассматриваемой схемы механизма уравнение моментов сил имеет вид
Mи + Mд + Mп = Mвр,
(5.25)
где Mи - момент количества движения (инерционный момент); Mд - демпфирующий момент (момент успокоения); Mп - позиционный момент (противодействующий момент); Mвр - вращающий момент.
Моменты можно выразить через соответствующие коэффициенты:
Mи = J''; Mд = K'; Mп = C; Mвр = BSWI.
(5.26)
Здесь  - угол отклонения подвижной части от состояния равновесия; ',
'' - первая и вторая производные; J - момент инерции подвижной системы;
K - коэффициент демпфирования; C - суммарная жесткость противодействующих пружин; B - магнитная индукция в воздушном зазоре; W - число
витков рамки; S - активная площадь рамки (S = bl, b - ширина, l - длина активной стороны рамки); I - ток, протекающий через рамку.
Подставляя (5.26) в (5.25), получим дифференциальное уравнение прибора
J'' + K' + C = BSWI.
(5.27)
Характеристическое уравнение
Jp2 + Kp + C = 0
можно записать в виде
p2 + 2p + 2o = 0,
(5.28)
где  = K/2J; o = C / J .
Параметр o имеет определенный физический смысл - он определяет
круговую частоту собственных недемпфированных колебаний системы.
Для электромагнитного успокоения, при отсутствии металлического
корпуса рамки, имеем
K = (BSW)2/(Rиз + Rн),
(5.29)
где Rиз - сопротивление рамки измерительного механизма; Rн - сопротивление внешней цепи (наружное).
В установившемся режиме производные '', ' равны нулю, тогда
уст = (BSW/C)I.
(5.30)
Введем безразмерный параметр, называемый степенью успокоения подвижной части прибора :
= /o = K/2 CJ .
(5.31)
Корни уравнения (5.28) определим из выражения
p1,2 = - o ± o  2  1 .
(5.32)
Вид переходного процесса зависит от характера корней p 1,2. Здесь могут быть три случая.
Случай 1. Степень успокоения >1, что приводит к неравным действительным корням. Переходный процесс в системе 2-го порядка при >1 и
при нулевых начальных условиях имеет апериодический характер
(рис.5.5).
Случай 2. Степень успокоения =1, чему отвечают равные корни. Переходный процесс является апериодическим.
Случай 3. Корни неравные и комплексные. Этот случай, отвечающий
<1, представляет наибольший интерес, так как в этой области существует
некоторое оптимальное значение , при котором длительность переходного процесса получается минимальной. Переходные процессы при <1
имеют колебательный характер. В частном случае, когда отсутствует
демпфирование (=0) система совершает незатухающие колебания (при
отсутствии сил трения) по закону
(t) = (BSW/C)(1 - cosot).
(5.33)
Параметр o представляет собой частоту собственных колебаний недемпфированной системы. В случае 0<<1 система совершает затухающие
колебания (рис.5.5). Частота демпфированных колебаний
 = o 1   2 .
Следовательно, с увеличением  от 0 до 1 частота демпфированных
колебаний уменьшается от o до 0.
На рис.5.5 представлены графики переходных процессов в системе
2-го порядка при разных значениях степени успокоения : <1 - колебательный режим, >1 - апериодический режим, =1 - критический режим.
Изменяя сопротивление цепи прибора (см. уравнение 5.29), можно получить различные режимы его работы.
Рис.5.5. График движения подвижной части
гальванометра при разных режимах
Помимо o и , важными показателями колебательного переходного
процесса являются декремент затухания и перерегулирование. Декрементом затухания d называют отношение абсолютных значений двух смежных
максимальных отклонений выходного сигнала от установившегося значения. Перерегулирование  определяет относительную величину разности
между первым максимумом переходного процесса и его установившимся
значением.
Опыт показывает, что при степени успокоения =0.9 подвижная часть
быстрее всего устанавливается в положение равновесия. Если цепь гальванометра разомкнута, то колебания рамки будут незатухающими (свободными). Период собственных колебаний определяется по формуле (5.34).
TO = 2 J / C .
(5.34)
Методы расчета динамических характеристик звеньев и систем достаточно подробно рассматриваются в курсах «Теория автоматического
управления и регулирования» и «Системы автоматического управления».
Оптимизация параметров приборов и систем
Задачи синтеза динамических характеристик приборов и систем весьма
многообразны. Все они преследуют одинаковую цель, заключающуюся в
создании измерительной системы, динамические характеристики которой
наилучшим образом приближаются к заданным. Наилучшее приближение
достигается обычно путем оптимизации некоторого заранее выбранного
показателя динамического качества.
При проектировании оптимальных по быстродействию или по динамической точности измерительных систем могут выбираться различные
критерии. Возможно, например, решение следующих задач синтеза: минимизация длительности переходного процесса, максимизация полосы пропускания частот, минимизация фазовых искажений, минимизация дисперсии динамической погрешности при действии случайного полезного сигнала и случайной помехи и т. д. Для повышения быстродействия измерительной системы используют следующие методы, основанные на оптимизации параметров измерительной системы; на введении последовательных
корректирующих звеньев; на введении корректирующих обратных связей;
на использовании систем с переменной структурой [2].
В качестве примера рассмотрим оптимизацию параметров измерительной системы 2-го порядка из условия минимума длительности переходного
процесса. На рис.5.6 представлены графики переходных процессов в системе 2-го порядка для трех близких значений . Минимум длительности
переходного процесса будет при таком значении =1, при котором кривая
после первого перехода через установившееся значение совпадет с верхней
границей допустимой динамической ошибки + (кривая 1). Этой кривой
соответствует длительность переходного процесса t1, при которой кривая 1
входит в зону допуска в точке A.
Рис.5.6. К расчету оптимальной степени успокоения по
критерию минимума длительности переходного процесса
Допустим, что 2>1, тогда период колебаний увеличится, и переходный процесс будет описываться кривой 2, расположенной правее кривой 1
и входящей в зону ± в точке B, для которой t2>t1.
Если же 3<1 (кривая 3), то период колебаний уменьшится, но увеличится величина перехода через установившееся значение, из-за чего максимальное отклонение кривой 3 выйдет за пределы верхней границы допуска +. Длительность процесса t3 будет определяться вторым пересечением кривой 3 с верхней границей зоны допусков в точке C, следовательно, t3>t1.
Более подробно вопросы синтеза систем и анализа их динамической
точности рассмотрены в работе [14].
Глава 6. Расчет погрешностей приборов и систем
Определение погрешностей измерительного звена
по его расчетной характеристике
Оценка погрешностей прибора значительно упрощается, если их расчет разделить на два этапа. На первом этапе определяются погрешности
каждого звена в отдельности по его расчетной характеристике. На втором
этапе определяются погрешности прибора в целом с учетом его структурной схемы. Такая последовательность расчетов не только упрощает вычисления, но и повышает наглядность полученных результатов, так как выявляется роль каждого звена в формировании общей погрешности прибора.
Кроме того, для выполнения расчета на втором этапе не обязательно иметь
расчетные данные о погрешностях каждого звена. Могут быть использованы экспериментальные данные или взяты значения погрешностей отдельных звеньев из технических условий (если используются типовые чувствительные или преобразующие элементы).
Вернемся к расчетной (5.2) характеристике прибора:
У = f(X, q1, q2, ..., qn),
где q1, q2, ..., qn - параметры схемы и конструкции.
Первичные ошибки q1, q2, ..., qn практически малы по сравнению с
параметрами q1, q2, ..., qn. Зависимость между приращением выходного
сигнала У и первичными ошибками, по аналогии с рассмотренными ранее уравнениями (1.4-1.5), можно представить в виде
У = (dу/dq1)q1 + (dу/dq2)q2, ... + (dу/dqn)qn =
= (dу/dqi)qi.
(6.1)
Таким образом, абсолютная погрешность есть взвешенная сумма первичных погрешностей. Коэффициентами веса являются частные производные по параметрам, которые вызывают появление погрешностей. Частные
производные вычисляются для расчетных (номинальных) значений q1, q2,
..., qn.
Уравнение (6.1) применимо как к прибору в целом, так и к отдельным
его элементам. Параметры q1, q2, ..., qn могут отличаться от номинальных
значений как по производственно-технологическим причинам (qi=q'i основная погрешность), так и из-за отклонения условий эксплуатации
(температуры, давления и др.) от нормальных (qi=q''i - дополнительная
погрешность).
В качестве примера рассмотрим расчет погрешности маятникового акселерометра (рис.5.1). Статическую характеристику прибора (5.11) можно
представить следующим образом
Uвых = 12mlLUob-1h-3E-1o-1a.
(6.2)
На основании уравнения (6.1) получим
Uвых = 12lLUob-1h-3E-1o-1am + 12mLUob-1h-3E-1o-1al +
+ 12mlUob-1h-3E-1o-1aL + 12mlLb-1h-3E-1o-1aUo - 12mlLUob-2h-3E-1o-1ab - 312mlLUob-1h-4E-1o-1ah - 12mlLUob-1h-3E-2o-1aE - 12mlLUob-1h-3E-1o-2ao.
(6.3)
Выражение для относительной погрешности получим путем деления
уравнения (6.3) на уравнение (6.2):
Uвых = Uвых/Uвых =
= m/m + l/l + L/L + Uo/Uo - b/b - 3h/h - E/E - o/o.
(6.4)
Отсюда следует, что относительная погрешность маятникового акселерометра есть взвешенная сумма первичных относительных погрешностей. Коэффициентами веса являются показатели степени параметров.
Выражение (6.1) можно использовать для расчета температурных погрешностей, если считать, что приращения qi параметров qi произошли в
результате изменения температуры окружающей среды.
Полагая параметры qi линейно зависящими от температуры
qi = qio(1+i),
(6.5)
где i - температурный коэффициент параметра;
qio - значение параметра при нормальной температуре, получим приращения этих параметров в виде
qi = qi - qio= qioi.
(6.6)
Подставляя зависимость (6.6) в выражение (6.1), найдем температурную погрешность прибора:
У = (dу/dqi)qioi,
(6.7)
откуда условие температурной компенсации будет
(dу/dqi)qioi = 0.
(6.8)
Определение погрешностей прибора по структурной схеме
Для расчета погрешности прибора по структурной схеме необходимо
знать погрешности всех его преобразующих звеньев, которые могут быть
определены различными способами: а) расчетным путем по методике, описанной в предыдущем параграфе; б) по результатам экспериментальных
исследований образцов; в) по справочным данным, если используются
стандартные звенья.
Допустим, что прибор (или измерительная система) содержит n звеньев, каждое из которых осуществляет определенное функциональное преобразование физических величин. Звенья соединены между собой любым
способом (последовательно, параллельно, встречно-параллельно или более
сложным образом). Обозначим выходной и входной сигналы системы в
целом через У и Х, а выходные сигналы звеньев через У1, У2, ..., Уn.
В реальной системе сигналы звеньев У1, У2, ..., Уn, вследствие наличия у
них погрешностей, получают независимые приращения У1, У2, ..., Уn,
которые в совокупности и дают суммарную погрешность системы У.
Относительная погрешность системы в линейном приближении равна
линейной комбинации относительных погрешностей звеньев:
 = 11 + 22 + ... + nn = ii,
(6.9)
где  = У/У - относительная погрешность системы;
i = Уi/Уi - относительная погрешность i-го звена;
i - коэффициент влияния i-го звена.
Из уравнения (6.9) следует, что погрешность системы складывается из
n составляющих, каждая из которых порождается соответствующим звеном структурной схемы. Коэффициент влияния i представляет собой безразмерный множитель, на который нужно умножить относительную погрешность i-го звена, чтобы определить порождаемую ею составляющую
суммарной относительной погрешности системы.
Предположим, что все звенья, кроме i-го, абсолютно точны, а погрешность системы вызвана лишь влиянием i-го звена. Тогда относительная погрешность системы
У/У = iУi/Уi,
откуда
i = (У/У)/(Уi/Уi).
(6.10)
Ограничимся случаем, когда все звенья имеют линейные характеристики
Уi = SiXi,
(6.11)
где Si - чувствительность i-го звена;
Xi - входной сигнал i-го звена.
При установившемся режиме, когда Xi = const, малое приращение
функции (6.11) можно выразить ввиде
Уi = SiXi.
(6.12)
Разделив (6.12) на (6.11), получим
Уi/Уi = Si/Si.
(6.13)
Аналогично для системы в целом
У/У = S/S,
(6.14)
где S - чувствительность системы в целом.
Подставив (6.13) и (6.14) в (6.10), получим
i = (S/Si)(Si/S).
(6.15)
Так как рассматривается лишь одна составляющая суммарной погрешности, вызванная влиянием i-го звена, а параметры остальных звеньев
принимаются постоянными, то отношение малых приращений чувствительности можно заменить частной производной:
S/Si  dS/dSi.
(6.16)
Подставляя (6.16) в (6.15), получим формулу для определения коэффициента влияния i-го звена:
i = (dS/dSi)(Si/S).
(6.17)
Если произвести расчет чувствительности прибора по структурной
схеме, то можно представить ее как функцию чувствительности звеньев:
S = F(S1, S2, ..., Sn).
(6.18)
Частные производные dS/dSi (i = 1, 2, ..., n) могут быть найдены поочередным дифференцированием функции (6.18) по S1, S2, ..., Sn.
Рассмотрим расчет коэффициентов влияния погрешностей звеньев на
примере, представленном в работе [13]. Определим безразмерные коэффициенты влияния погрешностей звеньев для структурной схемы, приведенной на рис.6.1,а, если заданы чувствительности звеньев: S1 = 20; S2 = 9; S3 =
1; S4 = 2.
Рис.6.1. К примеру расчета коэффициентов влияния
Заменим встречно-параллельные звенья 2 и 3 с отрицательной обратной связью эквивалентным звеном 5 (рис.6.1,б), чувствительность которого согласно (5.18) равна
S5 = S2/(1 + S2S3).
Затем заменим последовательные звенья 1 и 5 эквивалентным звеном 6
(рис.6.1,в), чувствительность которого в соответствии с (5.7) будет
S6 = S1S5 = S1S2/(1 + S2S3).
Общая чувствительность системы согласно (5.15) определится как
S = S4 + S6 = S4 + S1S2/(1 + S2S3).
(6.19)
Дифференцируя выражение (6.19) поочередно по S1, S2, S3, S4 и подставляя полученные частные производные в формулу (6.17), определим
безразмерные коэффициенты влияния погрешностей звеньев:
1 = S1S2/(S4 + S2S3S4 + S1S2);
2 = S1S2/[(S4 + S2S3S4 + S1S2)(1 + S2S3)];
3 = - S1S22S3/[(S4 + S2S3S4 + S1S2)(1 + S2S3)];
4 = (S4 + S2S3S4)/(S4 + S2S3S4 + S1S2).
(6.20)
Подставляя в (6.20) значения S1, S2, S3 и S4, находим 1 = 0.9; 2 = 0.09;
3 = - 0.81; 4 = 0.1.
Расчет допусков на погрешность прибора
Погрешности возникают в приборах под действием целого ряда внутренних и внешних причин, многие из которых носят случайный характер.
Поэтому сами погрешности тоже являются случайными величинами и расчет допусков на погрешность прибора необходимо производить методами
теории вероятностей и математической статистики.
Путем статистической обработки случайных погрешностей партии однотипных приборов, полученных в одних и тех же условиях, вычисляют
среднее значение погрешности  и среднее квадратическое отклонение 
случайной погрешности.
Если известны значения i и i для всех звеньев структурной схемы, то
можно вычислить аналогичные показатели для суммарной погрешности
прибора. Для этого применяют правила суммирования случайных величин:
средние значения суммируются алгебраически, а средние квадратические
отклонения - квадратически.
Нижняя н и верхняя в границы допусков на суммарную погрешность
прибора связаны с показателями  и  следующей зависимостью:
н =  + t1;
в =  + t2,
(6.21)
где t1 и t2 - безразмерные параметры, знак которых может быть положительным или отрицательным.
При анализе допусков на суммарную погрешность прибора могут
встретиться две задачи:
а) определение вероятности соответствия (или вероятности несоответствия) погрешности прибора допускам при заданных границах поля допуска н и в;
б) определение границ поля допуска н и в при заданной вероятности
соответствия (или несоответствия) прибора допускам.
Решение этих задач значительно облегчается, если принять распределение суммарной погрешности прибора по нормальному закону, который
наиболее часто встречается на практике [13]. При этом условии вероятность P того, что суммарная погрешность находится в заданных пределах,
определяется по уравнению:
P(н <  < в) = Ф(t1) - Ф(t2),
(6.22)
где Ф(t) - нормированная функция Лапласа.
Численные значения Ф(t) в зависимости от t приведены в таблице 6.1.
Отрицательным значениям t отвечают отрицательные значения Ф(t). Последняя цифра, приведенная в скобках в таблице 6.1, дана для t = 5.0.
Таблица 6.1
Нормированная функция Лапласа Ф(t)
Десятые
доли t
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
t
0
0.000
0.0398
0.0793
0.1179
0.1554
0.1916
0.2257
0.2580
0.2881
0.3159
1
0.3413
0.3643
0.3849
0.4032
0.4192
0.4332
0.4452
0.4554
0.4641
0.4713
2
0.4772
0.4821
0.4860996
0.4892759
0.4918025
0.4937903
0.4953388
0.4965330
0.4974449
0.4981342
3
0.4986501
0.4990324
0.4993129
0.4995166
0.4996631
0.4997674
0.4998409
0.4998992
0.4999274
0.4999519
4
0.4999683
0.4999793
0.4999867
0.4999915
0.4999946
0.4999966
0.4999979
(0.4999997)
Вероятность того, что суммарная погрешность  выйдет за пределы
допусков (вероятность несоответствия Q допускам), будет
Q = 1 - P(н <  < в) = 1 - [Ф(t1) - Ф(t2)].
(6.23)
Чтобы вероятности соответствия или несоответствия прибора допускам выразить в процентах, нужно их значения, вычисленные по формулам
(6.22) или (6.23), умножить на 100%. Вероятность несоответствия прибора
допускам, выраженную в процентах, называют также процентом риска.
При определении границ поля допуска по заданной вероятности координату середины поля допуска совмещают со средним значением погрешности , что дает наилучшее использование нормального закона распределения (наибольшую вероятность при одном и том же значении поля допуска). При этом условии t2 = - t1 = t и формулы для определения границ поля
допуска принимают вид
н =  - t; в =  + t.
(6.24)
Значение параметра t определяют по таблице 6.1, исходя из заданной
вероятности: P = 2Ф(t) или Ф(t) = P/2.
На практике часто берут параметр t = 3, что отвечает вероятности соответствия прибора допускам 99.73% или проценту риска 0.27%. При этом
условии границы поля допусков
н =  - 3; в =  + 3,
(6.25)
а общая ширина поля допусков
в - н = 6.
Следовательно, для обеспечения процента риска, не превышающего
0.27% необходимо: а) совместить середину поля допуска со средним значением погрешности; б) взять общую ширину поля допуска в шесть раз
большей, чем среднее квадратическое отклонение погрешности.
Пример [13]. Пусть прибор, структурная схема которого представлена
на рис.6.1, имеет звенья с линейными характеристиками. Чувствительность
звеньев и их погрешности заданы и сведены в таблицу 6.2. Требуется
определить: а) вероятность соответствия прибора допускам и процент риска, если допуск на суммарную погрешность прибора установлен ±1% (н =
-1.0%, в = +1.0%); б) границы поля допуска на суммарную погрешность
прибора для случая, когда задан процент риска 0.27% (t = 3).
Таблица 6.2
Характеристики звеньев прибора рис.6.1
№ звена
Чувствительность
Среднее значение погрешности звена, %
Среднее квадратическое отклонение погрешности звена, %
1
S1 = 20
2
S2 = 9
3
S3 = 1
4
S4 = 2
1 = 0
2 = -5.0
3 = 0.37
4 = 5.5
1 = 0.2
2 = 1.5
3 = 0.2
4 = 2.0
Решение. Для схемы рис.6.1 в предыдущем параграфе вычислили коэффициенты влияния погрешностей звеньев:
1 = 0.9; 2 = 0.09; 3 = - 0.81; 4 = 0.1.
Определим среднее значение  и среднее квадратическое отклонение 
погрешности прибора:
 = ii = 0.90 + 0.09(- 5.0) - 0.810.37 + 0.15.5 = - 0.2;
 =  ( i i ) 2 = 0.9  0.22  0.09 1.52  0.81 0.22  0.1 2.02  0.35 .
По формулам (6.21) определяем параметры t1 и t2 для заданных границ
поля допуска (±1.0%):
t1 = (н - )/ = [- 1.0 - (- 0.2)]/0.35 = - 2.28;
t2 = (в - )/ = [1.0 - (- 0.2)]/0.35 = 3.43.
По таблице 6.1 с применением интерполяции находим значения функции Лапласа:
Ф(t1) = - 0.4886; Ф(t2) = 0.4997.
Находим искомую вероятность того, что  будет в пределах ±1.0%:
P = Ф(t2) - Ф(t1) = 0.4997 - (- 0.4886) = 0.9883 или 98.83%.
Процент риска Q = 100 - 98.83 = 1.17%.
По формулам (6.21) получим искомые границы поля допуска на суммарную погрешность, обеспечивающие заданный процент риска 0.27%
(t = 3):
н =  - 3 = - 0.2 - 30.35 = - 1.25;
в =  + 3 = - 0.2 + 30.35 = 0.85.
Глава 7. Общая характеристика измерительновычислительных комплексов
Признаки классификации, общие требования к измерительновычислительным комплексам (ИВК) приведены в ГОСТ 26.203-81. ИВК
должны выполнять следующие функции: 1) прямые, косвенные, совокупные и совместные измерения электрических величин; 2) управление процессом измерений и воздействие на объект измерений; 3) представление
оператору результатов измерений в заданном виде.
ИВК должны обеспечивать: 1) восприятие, преобразование и обработку электрических сигналов от первичных измерительных преобразователей; 2) управление средствами измерений и другими техническими компонентами; 3) выработку нормированных электрических сигналов, являющихся входными для средств воздействия на объект; 4) оценку точности и
представление результатов измерений в установленной форме.
В состав ИВК входят технические и программные компоненты. Технические компоненты ИВК подразделяются на основные и вспомогательные.
Основными являются: 1) средства измерений электрических величин;
2) средства вычислительной техники; 3) меры текущего времени и интервалов времени с нормированными характеристиками погрешности;
4) средства ввода-вывода цифровых и релейных сигналов.
Вспомогательными являются следующие средства, непосредственно не
участвующие в процессе измерений: 1) блоки электрического сопряжения
измерительных и вычислительных компонентов (блоки интерфейсного сопряжения, контроллеры); 2) коммутационные устройства, не являющиеся
средствами измерений; 3) специализированные устройства буферной памяти; 4) расширители интерфейсных линий; 5) устройства расширения
функциональных возможностей ИВК; 6) источники питания для вспомогательных технических компонентов.
Программными компонентами являются системное программное обеспечение и общее прикладное программное обеспечение. Системное программное обеспечение ИВК представляет собой совокупность программного обеспечения используемой ЭВМ и дополнительных программных
средств, обеспечивающих: 1) работу в диалоговом режиме, 2) управление
измерительными компонентами, 3) обмен информацией с измерительными
компонентами, 4) проверку работоспособности ИВК, 5) изменение и дополнение состава общего прикладного программного обеспечения.
Общее прикладное программное обеспечение ИВК реализует:
1) типовые алгоритмы обработки измерительной информации, 2) типовые
алгоритмы планирования эксперимента, 3) метрологическое обслуживание
ИВК (поверка, экспериментальное определение метрологических характеристик каналов, метрологическая аттестация). Подпрограммы метрологического обслуживания ИВК должны быть согласованы с Госстандартом в
установленном порядке.
Структуры ИВК
Элементы системы взаимодействуют между собой самым различным
образом: механическим, электрическим, информационным. Информация
об одной и той же структуре может выражаться в различной форме: в виде
графических изображений с использованием условных знаков, совокупности числовых данных, таблиц и т. д. В зависимости от того, какие действия
с информацией о структуре предполагается производить, выбирается тот
или иной вид формализации.
Описание структуры различными видами формализованной записи
становится эффективным инструментом анализа и синтеза тогда, когда
установлены правила перехода от одного вида записи к другому. При соблюдении этого условия виды описания одной структуры становятся дополнительными по отношению друг к другу, и все вместе дают полное
описание структуры.
При рассмотрении ИВК можно выделить конструктивные, энергетические и информационные структуры. Структура конструкции системы содержит информацию о механическом взаимодействии элементов системы
(компонентов, плат, модулей, блоков, каркасов, стоек). Эта структура отражена в комплекте рабочих чертежей системы и соответствующей документации.
Структура энергетических связей содержит информацию об источниках и потребителях электрической энергии. Эта структура отражена в схеме соединений элементов системы, но иногда выделяется как отдельное
описание, объясняющее специфику источников и приемников энергии и
связывающих их линий передачи.
Структура информационных связей содержит сведения о том, каким
образом происходит обмен информацией. Она является наиболее важной и
первичной по отношению к другим структурам.
Для системного обмена информацией первым важнейшим условием
является организация таких связей в системе, которые обеспечивали бы
(при заданных временных характеристиках и надежности) прохождение
всех информационных потоков в системе. Решение этой задачи обеспечивается: 1) выбором эффективных протоколов обмена информацией между
элементами системы, 2) определением оптимальной структуры информационных связей, 3) выбором алгоритмов и средств обработки информации,
позволяющих уменьшить интенсивность информационных потоков за счет
промежуточного сжатия информации, и т. д.
Вторым важнейшим условием является обеспечение качества информации на всех стадиях получения, обмена, обработки и представления.
Выполнение этого условия также связано как с выбором способов обмена,
обеспечивающих необходимую подробность дискретизации по времени и
значению, так и с алгоритмами и средствами получения и обработки информации.
Для ИВК можно выделить следующие общие характеристики:
1) количество источников и потребителей информации, 2) расположение
источников и приемников в пространстве, 3) мощность потоков информации, поступающих и уходящих из системы (или устройства),
4) зависимость мощности информационных потоков от времени и т. д. Эти
характеристики определяют количественную сторону обмена информацией.
Описание свойств системы, содержащее сведения о потоках информации и отражающее взаимодействие этих потоков, является структурой информационного взаимодействия. Наиболее распространенным способом
представления структур информационного взаимодействия является
структура информационных связей (СИС) между аппаратными средствами
ИВК. Такая структура изображает каждое устройство, входящее в состав
ИВК и участвующее в обмене информацией, в виде прямоугольника, внутри которого имеется название или условное обозначение этого устройства.
Двойными линиями со стрелками показываются информационные связи,
по которым идет обмен дискретными сигналами, а одинарными - связи, по
которым происходит обмен аналоговыми сигналами. Достоинством этих
структур является их наглядность, позволяющая отождествить каждый материальный объект, входящий в ИВК, с его функциональным назначением
в информационном обмене. Далее под термином «структура» подразумевается СИС, а под термином «конфигурация» - типовой фрагмент СИС.
Многие ИВК имеют в своем составе один или несколько серийных
управляющих вычислительных комплексов (УВК). Наиболее распространенная структура такого ИВК показана на рис.7.1.
Рис.7.1. Структура ИВК магистрального типа
Она включает в себя УВК и некоторое число устройств, объединенных
магистральным видом обмена. Эта магистраль связана с магистралью УВК
через устройство, называемое контроллером ветви (КВ). Конфигурация,
состоящая из КВ, магистрали и подключенных к ней устройств, называется
ветвью ИВК. В том случае, когда устройство не может быть непосредственно подключено к магистрали, оно связывается с ней через сопрягающее устройство, называемое адаптером (А). Возможны коллективные
адаптеры (КА), обслуживающие несколько устройств. Непрерывные и
дискретные сигналы могут поступать непосредственно на устройства (связанные с магистралью) или через устройства, не имеющие внешнего
управления и работающие в автономном режиме. К магистрали ветви могут быть также подключены устройства, выполняющие функции обмена
информацией с персоналом, и вспомогательные устройства.
В качестве примера на рис.7.1 к магистрали ветви подключены устройства ввода 1, вывода 2, выдачи 3 и 5 (причем устройство 3 выдает на объект сигналы через автономное устройство 4). Средства измерений 6-8 подключены к магистрали через КА, а измерительное устройство 9 подключено непосредственно к магистрали. К магистрали подключены также оперативно-диспетчерское оборудование 10, 11 и сервисное устройство 12.
В некоторых случаях в качестве магистрального интерфейса используется интерфейс УВК, тогда функции КВ сводятся к согласованию электрических сигналов на участках магистрали, находящихся внутри и вне УВК.
Такие КВ называют расширителями магистрали.
Структура, приведенная на рис.7.1, позволяет создавать только сосредоточенные (в пределах нескольких метров) или локализованные (в пределах до 20 м) ИВК. В тех же случаях, когда по тем или иным причинам
необходимо разделить средства, входящие в ИВК, на отдельные комплексы технических средств (КТС), применяется многоветвяная структура
(рис.7.2). При этом несколько ветвей В1-Вn, имеющих внутреннюю структуру подобную рис.7.1, подключаются через свои контроллеры КВ1-КВn к
магистрали УВК. В общем случае интерфейсы ветвей В1-Вn могут быть
различными.
Рис.7.2. Структура многоветвяного ИВК
Для создания рассредоточенных ИВК применяются двухуровневые
структуры радиального типа (рис.7.3). В этих структурах УВК1-УВКm,
имеющие свои ветви, подключены к УВК'' второго уровня через устройства межмашинной связи (УМС).
Рис.7.3. Структура двухуровневого ИВК радиального типа
Для обмена между частями УМС, расположенными в УВК'' и УВК1УВКm, используются радиальные последовательные интерфейсы, позволяющие разнести их на расстояние до 1-3 км.
Рассмотренные структуры не могут обеспечить решения всего многообразия задач. В одноуровневых ИВК возникают следующие проблемы:
1) необходимость получения и обработки больших потоков информации,
превышающих возможности магистрали и средств обработки информации;
2) необходимость снижения уровня помех, создаваемых коллективной работой устройств; 3) необходимость дистанционного удаления некоторых
устройств; 4) невыгодность (избыточность) применения серийного УВК в
каждом ИВК; 5) невыгодность подключения к общей магистрали
устройств, обмен с которыми ограничивается передачей простых управляющих воздействий.
Решение указанных проблем возможно различными методами, часть
из которых относится к повышению степени автономности и функциональных возможностей устройств, входящих в состав ветви.
Структура одноуровневого ИВК, в составе которого отсутствует серийный УВК, приведена на рис.7.4.
Рис.7.4. Структура однопроцессорного модульного ИВК
В этой структуре все устройства подключены к одной магистрали и
выполняют не только функции получения информации, но и функции обработки, управления и хранения информации. Обмен с персоналом также
осуществляется устройствами, подключенными к магистрали через соответствующие адаптеры.
Для примера на рис.7.4 в состав ИВК включены процессор 13, запоминающие устройства 14, 15. Назначение остальных устройств такое же, что
и на рис.7.1. Связь такого ИВК с другими ИВК или УВК второго уровня
осуществляется через УМС. Такие ИВК позволяют создавать структуры с
распределенной обработкой.
Дальнейшим развитием таких структур являются структуры, приведенные на рисунках 7.5-7.7. На рис.7.5 показано несколько процессоров,
работающих на одной магистрали. Это одноуровневый мультипроцессорный ИВК.
Рис.7.5. Структура многопроцессорного модульного ИВК
На рис.7.6 показана структура однопроцессорного ИВК, в которой
устройства подключаются к одной или нескольким магистралям, образующим систему магистралей.
Рис.7.6. Структура ИВК с системой магистралей
Структура многопроцессорного ИВК с системой магистралей приведена на рис.7.7. Применение этих структур позволяет решить перечисленные
выше проблемы. Повышение производительности достигается за счет
структур с распараллеливанием магистралей. Снижение уровня помех,
возможность удаления устройств на значительные расстояния и упрощение обмена с малоинформативными устройствами достигается за счет
структур рис.7.6-7.7.
Рис.7.7. Структура многопроцессорного ИВК
с системой магистралей
Для повышения надежности процесса испытаний используются структуры с резервированием. Возможны два типа структур, повышающих
надежность: построенные по принципу дублирования и мажоритарные
структуры.
В дублированных структурах обязательно применение во всех ее составных частях встроенного контроля исправного состояния.
В мажоритарных структурах получение достоверной информации основано на сопоставлении результатов, полученных по каждому независимому
каналу, и выборе результата, совпадающего с показаниями большинства
измерительных каналов.
Характеристики ИВК
Характеристики ИВК, по сравнению с традиционными средствами измерений, существенно шире. Они должны отражать не только свойства
ИВК, непосредственно связанные с получением информации, но также
свойства, связанные с обменом, обработкой, хранением и представлением
информации.
В тех случаях, когда в состав ИВК входит серийный управляющий вычислительный комплекс (УВК), эти свойства могут быть проанализированы и определены на основе характеристик используемого УВК и применяемых интерфейсов. Так, характеристики, связанные с возможными потоками и объемами информации, определяются на основании анализа характеристик интерфейсов и средств ввода-вывода УВК.
Характеристики, связанные с обработкой информации, определяются
типом используемого процессора и операционной системы. Возможности
ИВК как средства хранения оперативной и долговременной информации
определяются используемыми в УВК внутренними и внешними запоминающими устройствами, а его характеристики как средства представления
информации связаны с применяемым в УВК оперативно-диспетчерским
оборудованием.
Если средства управления, обработки и хранения входят в состав модульного ИВК, выбор номенклатуры его информационных и метрологических характеристик, а также методов их определения, представляет сложную задачу, которая в настоящее время не имеет однозначного решения.
В том случае, когда ИВК работает в составе измерительной информационной системы, целесообразно нормировать и проверять характеристики
ИВК как средства для выполнения данного, конкретного типа испытаний.
При этом могут нормироваться такие параметры, как время выполнения
цикла испытаний, метрологические характеристики получаемых результатов испытаний, число или канальность объектов испытаний, объем и форма получаемых документов. Проверка характеристик таких ИИС может
производиться на эталонных видах изделий.
Для ИВК, область применения которых не ограничивается одним конкретным видом испытаний, наиболее распространенным подходом к нормированию характеристик является разделение аппаратно-программных
средств ИВК на тракты (каналы) и нормирование характеристик этих трактов. Определение метрологических характеристик при этом производится
расчетным методом, а их проверка осуществляется путем введения в программное обеспечение ИВК специальных программ (метрологического
программного обеспечения). Трудности, возникающие при нормировании
характеристик трактов, связаны главным образом с тем, как определить в
ИВК начало и конец тракта. Например, за окончание результата измерений
в тракте можно принимать момент попадания кодированного значения
этого результата на магистраль ветви, в оперативное запоминающее
устройство, на средства отображения или документирования.
Аналогичные трудности возникают при выдаче сигнала с заданными
метрологическими характеристиками. Конкретное содержание проблем
метрологического обеспечения средств, входящих в ИВК и ИИС на их основе, выясняется при детальном анализе процессов, происходящих в тракте, и возникающей при этом погрешности.
Различают четыре основных вида преобразования измерительной информации в автоматизированных измерительных системах:
1) преобразование сигналов в аналоговой форме;
2) аналого-цифровое преобразование;
3) преобразование измерительной информации в цифровой форме;
4) преобразование в каналах выдачи аналоговой информации.
Погрешности аналогового преобразования сигналов измерительной
информации подробно изучались в предыдущих разделах.
Погрешность аналого-цифрового преобразования обусловлена погрешностью аналого-цифрового преобразователя (АЦП), включающей в
себя погрешность квантования непрерывного сигнала по уровню, а также
погрешность датирования отсчетов, вызванной несоответствием реального
момента измерений запланированному (см., например, [6, с. 220-228]).
Погрешность цифрового преобразования связана с округлением в ЭВМ
данных измерений, промежуточных вычислений и коэффициентов; отклонением реального оператора цифрового преобразования от идеального;
влиянием погрешностей прямых измерений на окончательную погрешность результатов косвенных, совместных и совокупных измерений, полученных с помощью цифрового преобразования.
Погрешность канала аналогового вывода информации вызвана теми же
причинами, что и погрешность измерительного канала ИИС.
Анализ системы должен содержать метрологический анализ каждого
этапа преобразования сигналов измерительной информации в отдельности
и анализ совместного преобразования на всех этапах. Результаты этого
метрологического анализа должны явиться основой для разработки методов экспериментального и расчетного определения характеристик средств
различного уровня. Нормативной базой этих методов должны быть методики расчетов и экспериментального определения метрологических характеристик трактов измерительной информации и системы в целом, а также
перечень нормируемых характеристик для средств, входящих в состав
трактов.
Метрологические характеристики средств измерений нормируются.
Наиболее важные из них:
1) пределы измерений (по входу);
2) номинальные значения мер;
3) диапазон рабочих частот;
4) характеристики систематической составляющей погрешности, в
частности пределы допускаемой систематической составляющей погрешности;
5) характеристики случайной составляющей погрешности, в частности
пределы допускаемого среднего квадратического отклонения случайной
составляющей погрешности;
6) характеристики полной погрешности;
7) входное полное сопротивление;
8) выходное полное сопротивление;
9) динамические характеристики, в частности амплитудно-частотные,
фазочастотные и т. д.;
10) функции влияния, представляющие собой зависимость изменения
метрологических характеристик от изменения влияющих величин или неинформативных параметров входного сигнала; при этом неинформативным параметром входного сигнала называется параметр, не связанный
функционально с измеряемым свойством объекта измерений; например,
зависимость показаний электронного вольтметра от частоты или формы
кривой измеряемого напряжения.
В технической документации метрологические характеристики средств
измерений представляют в виде чисел, формул, таблиц и графиков.
В ИВК могут возникнуть инструментальные погрешности при выполнении вычислительных процедур из-за ограниченной разрядной сетки
ЭВМ. Операция округления в ЭВМ осуществляется обычно путем усечения неучитываемых разрядов или симметричного округления с учетом
значения старшего отбрасываемого разряда. Погрешности усечения имеют
отрицательный знак для любых арифметических операций над числами.
При большом количестве последовательных арифметических операций погрешности могут превысить допустимый уровень. Оценка этой погрешности производится в случаях, когда разрядная сетка ЭВМ близка к разрядности АЦП. Рекомендуется иметь в ЭВМ 2-4 дополнительных (по сравнению с разрядностью АЦП) разряда.
Принципы формирования комплексов получения информации
Комплексы получения информации (КПИ) являются важнейшей составной частью ИВК. Основными аппаратными средствами КПИ являются
модули, частичные блоки, приборы и субкомплексы.
Модули - это устройства, конструктивно расположенные на одной или
нескольких печатных платах стандартного размера, выполняющие одну
или несколько определенных функций измерения, преобразования, выдачи, коммутации непрерывных сигналов, а также ввода и вывода дискретных сигналов. В состав модуля входят также узлы для выполнения функций системного обмена с магистралью. Конструктивно исполнение модулей рассчитано на их размещение и закрепление в определенном типе каркаса (крейта). Электропитание осуществляется от внешних источников.
Частичные блоки - это устройства, предназначенные для преобразования входных или выходных сигналов КПИ (усилители мощности, напряжения или тока, нормирующие преобразователи).
Прибор представляет собой устройство, заключенное в опломбированный корпус, имеющее автономный источник питания и лицевую панель, на
которой расположены органы управления и индикации, позволяющие выполнять все запланированные операции в ручном режиме. Измерительная
часть прибора может состоять из тех же узлов, которые используются в
модулях. На современном этапе метрологические характеристики приборов выше, чем у модулей. Это достигается за счет применения структурных, алгоритмических и конструктивных решений, которые по тем или
иным причинам не могут быть выполнены в модульном исполнении.
Субкомплексы являются дальнейшим развитием приборов в направлении увеличения числа измеряемых и выдаваемых электрических величин,
количества измерительных каналов и первичной обработки измерительной
информации. Аппаратная часть субкомплекса представляет собой набор
модулей.
Классификация средств обмена непрерывными сигналами
Первым признаком классификации является назначение устройства:
измерение, выдача или коммутация.
Вторым признаком является вид измеряемой, выдаваемой или коммутируемой электрической величины.
Третья группа признаков описывает метрологические характеристики
средств, в первую очередь, диапазон изменения, точность и быстродействие, а также некоторые дополнительные характеристики, связанные с
конкретными видами средств (шумы, помехи, число каналов, входные и
выходные сопротивления и т. д.).
Средства измерений
Это наиболее развитая и многочисленная подгруппа средств получения информации широко представлена в ИВК на всех уровнях конструктивного исполнения: приборном, блочном, модульном. Наиболее распространенными являются средства измерений напряжения постоянного тока,
постоянного тока, сопротивления, частоты и периода. Кроме того, путем
преобразования сигналов в унифицированный сигнал постоянного напряжения или тока измеряются многие электрические и неэлектрические величины.
Промышленностью выпускается значительное количество цифровых
электроизмерительных приборов. Степень автоматизации измерительных
функций, выполняемых различными приборами, или «системность» этих
цифровых приборов различна. Минимально пригодным для применения в
ИВК является цифровой прибор, который способен по сигналу внешнего
запуска произвести измерение входной величины и сигнализировать о моменте времени, начиная с которого его выходные дискретные сигналы могут восприниматься средствами системного обмена. При этом остальные
операции, связанные с выбором режима работы, вида измеряемой величи-
ны и ее поддиапазона, выполняются вручную либо до начала измерений,
либо в процессе измерений по информации, полученной персоналом от
ИВК через оперативно-диспетчерское оборудование. На первом этапе развития ИВК именно такие приборы составляли основу измерительного
комплекса (ИК). Дискретные сигналы на выходе этих приборов представляют собой двоично-десятичный код мантиссы измеряемой величины, а
также сигналы полярности и порядка поддиапазона, закодированные произвольным образом.
С введением ГОСТ 26.003-80 и дальнейшим развитием элементной базы происходило постепенное развитие системных функций приборов с целью оснащения их выходом на стандартный интерфейс (для программного
управления всеми операциями по выбору режимов работы, виду и поддиапазону измеряемой величины).
Наибольшее применение в ИВК находят цифровые вольтметры и
мультиметры, а также частотомеры-периодомеры. Кроме того, выпускаются цифровые омметры, фазометры, цифровые мосты для измерения емкости и индуктивности, которые могут применяться в КПИ. Все цифровые
вольтметры и мультиметры осуществляют предварительное преобразование измеряемой величины в унифицированный сигнал - напряжение постоянного тока, который затем преобразуется в цифровой код аналогоцифровыми преобразователями различного типа.
В современных КПИ находят применение средства измерений, выполненные в виде частичных блоков. По своему назначению все они выполняют функции преобразования типа аналог-аналог, т. е. на входе и на выходе этих устройств присутствуют непрерывные электрические сигналы,
различающиеся видом, уровнем и спектром. Они предназначены как для
автономного использования, так и в составе комплексов и систем. Частичные блоки имеют встроенное электропитание, опломбированный корпус и
нормированные метрологические характеристики.
Модульные средства измерений, входящие в ИВК, предназначены для
выполнения тех же функций, которые в настоящее время выполняются
приборами и блоками. Все модульные средства измерений можно разделить на две группы: аналого-цифровые преобразователи (АЦП) и нормирующие преобразователи.
Применяются два типа АЦП: 1) осуществляющие преобразование постоянного напряжения, тока в код (АЦПН); 2) осуществляющие преобразование частоты, периода в код (АЦПЧ). АЦПН могут измерять мгновенное значение входной величины и среднее значение за интервал времени.
АЦПН среднего значения находят наибольшее распространение при измерениях в условиях помех с частотой питающей сети. Интегрирующие
АЦПН имеют высокие метрологические характеристики, в цифровых
вольтметрах постоянного тока разрешающая способность достигает
0.0001%. В аппаратуре КАМАК используются модульные АЦПН с быстродействием от 200 нс до 2 с и разрядностью от 7 до 20.
Частотные аналого-цифровые преобразователи представляют собой
разновидность АЦП. АЦПЧ предназначены для получения из входных
аналоговых сигналов информации о частоте или периоде с последующим
преобразованием в параллельный двоичный код. Существующая в настоящее время элементная база позволяет на одной-двух платах реализовать
измерение частоты, периода в широком диапазоне: 0.012107 Гц - по частоте и 110-7100 с - по периоду.
Возможности программного управления и последующих вычислений
дают модульным средствам преимущества (по сравнению с частотомерами
в приборном исполнении) в производительности при измерении частоты
на низких частотах и периода - на высоких. Границы для работы модуля в
режиме измерения частоты или периода обусловливаются требуемой погрешностью измерения.
Нормирующие преобразователи в модульном исполнении по своему
назначению соответствуют либо блочным измерительным преобразователям, усиливающим сигналы низкого уровня, либо блочным преобразователям, нормирующим сигналы с датчиков неэлектрических величин.
Средства выдачи непрерывных сигналов
Важнейшей составной частью ИВК является средство, позволяющее
выдавать на объект испытаний непрерывный сигнал, метрологические характеристики которого (с известной, гарантируемой точностью) соответствуют коду числа, поступившему на вход этого средства из УВК через
средства системного обмена.
Вначале таким сигналом являлось напряжение постоянного тока, изменяющееся в пределах ±10 В (либо в более широком диапазоне). Впоследствии развитие ИВК стимулировало разработку и освоение программируемых средств для выдачи других электрических величин: постоянного
тока, сопротивления, частоты и периода колебаний, амплитудного значения синусоидального напряжения переменного тока в низкочастотном
диапазоне частот. Перечисленные средства в приборном исполнении часто
объединяются общим названием «калибраторы электрических сигналов»,
хотя употребляются также названия «многозначная мера» и «программируемый источник».
Наиболее широкое применение средства выдачи непрерывных сигналов находят в ИВК для испытаний устройств с электрическим входом и
выходом, где они служат источниками для получения непосредственных
воздействий на объект испытаний.
В других ИВК воздействие выдается в виде унифицированного электрического сигнала (напряжения или тока), который затем преобразуется в
воздействие, имеющее другую физическую природу. Кроме того, калибраторы используются в составе некоторых ИВК в качестве средств встроенного метрологического контроля для периодической поверки основных
измерительных трактов.
Основную группу модульных средств выдачи сигналов составляют
цифроаналоговые преобразователи напряжения (ЦАПН). В прецизионном
режиме такой ЦАП имеет 18 двоичных разрядов и время установления
100 мс, в быстродействующем - 14 двоичных разрядов при времени установления 10 мкс. Кроме ЦАПН имеются также модули для выдачи частотного сигнала.
Средства коммутации
Коммутатор является программно-управляемым устройством, позволяющим подключить любой из имеющегося набора входов или выходов
объекта к средствам выдачи или измерения ИВК. В том случае, когда
обеспечивается точность метрологических характеристик измеряемых или
выдаваемых сигналов и погрешность, вносимая коммутатором в измеряемый или выдаваемый сигнал, может быть учтена, коммутатор называется
измерительным.
В приборном исполнении в составе ИВК нашли применение измерительные коммутаторы Ф799 и Ф7078. Эти коммутаторы имеют модификации с контактными и бесконтактными коммутирующими элементами
(ключами), количество которых может наращиваться ступенями за счет
изменения числа частичных блоков ключей, входящих в коммутатор.
В модульных ИВК коммутаторы могут присутствовать как в качестве узлов, входящих в состав функциональных модулей, так и в виде отдельных
модулей.
Средства ввода-вывода дискретных сигналов
Средства ввода-вывода дискретных сигналов используются для двунаправленного обмена этими сигналами между объектом и ИВК, а также для
согласования сигналов по форме и электрическим параметрам. Эти
устройства выполняются в виде модулей. Появление средств ввода-вывода
как самостоятельной группы обусловлено невозможностью непосредственной передачи (приема) информации из магистрали каркаса или УВК
на управляемый объект из-за наличия помех, несоответствия электрических параметров магистрали и объекта по амплитуде, форме или мощности, наличия специфических требований к способам приема (передачи)
данных.
Структурно эти модули состоят из двух функциональных узлов: интерфейсного и функционального преобразования. Интерфейсный узел согласует модуль с магистралью каркаса по стандартному протоколу обмена.
Узел функционального преобразования (УФП) преобразует информацию,
вводимую (выводимую) в магистраль (из магистрали) в сигнал, пригодный
для обмена с объектом. Составной частью УФП может быть гальваническая развязка, обеспечивающая защиту объекта от помех. Наличие интерфейсного узла обязательно для любого модуля, а состав УФП меняется в
зависимости от удаленности объекта от каркаса и функционального назна-
чения модуля.
Глава 8. Средства системного обмена
Общая характеристика интерфейсов
В отечественной практике для описания совокупности схемотехнических средств и функций, обеспечивающих непосредственное взаимодействие составных элементов систем обработки данных, сетей, систем передачи данных, подсистем периферийного оборудования, используются понятия «интерфейс», «стык», «протокол».
Под стандартным интерфейсом понимается совокупность унифицированных аппаратурных, программных и конструктивных средств, необходимых для реализации взаимодействия различных функциональных элементов в автоматических системах сбора и обработки информации при
условиях, предписанных стандартом и направленных на обеспечение информационной, электрической и конструктивной совместимости указанных элементов.
Понятие «стык» означает место соединения устройств передачи сигналов данных. Под понятием «протокол» понимается строго заданная процедура, или совокупность правил, регламентирующая способ выполнения
определенного класса функций.
Классификация интерфейсов
Интерфейсы классифицируются по четырем основным признакам:
1) способ соединения компонентов (магистральный, радиальный, каскадный, комбинированный);
2) способ передачи информации (параллельный, последовательный);
3) принцип обмена информацией (асинхронный, синхронный);
4) режим передачи информации (двухсторонняя одновременная, двухсторонняя поочередная, односторонняя).
Более полные характеристики и классификация интерфейсов базируются на совокупности нескольких основных признаков: области распространения, или функциональном назначении; логической организации;
функциональной организации; физической реализации.
В соответствии с функциональным назначением интерфейсы можно
разделить на следующие основные классы:
1) системные интерфейсы ЭВМ;
2) интерфейсы сосредоточенных мультипроцессорных систем;
3) интерфейсы периферийного оборудования;
4) интерфейсы сетей передачи данных;
5) интерфейсы программно-управляемых модульных систем и приборов;
6) интерфейсы локальных вычислительных сетей;
7) интерфейсы распределенных систем общего назначения.
Системные интерфейсы
Конфигурация ИВК, средства связи измерительной и управляющей
аппаратуры с ЭВМ, а также техника программного управления этой аппаратурой в значительной степени определяются тем, какой системный интерфейс используется в примененной ЭВМ. Под системным интерфейсом
ЭВМ понимают весь комплекс средств сопряжения центрального процессора (ЦП), оперативной памяти (ОП) и внешних устройств (ВУ), входящих
в состав ИВК. Системный интерфейс представляет собой совокупность
унифицированной магистрали для передачи информации, электронных
схем (служащих для согласования, преобразования и управления сигналами на магистрали), а также унифицированных алгоритмов обмена информацией между отдельными устройствами ЭВМ.
Системный интерфейс семейства машин СМ ЭВМ носит название
«Общая шина» (ОШ). Системный интерфейс семейства машин «Электроника 60» идеологически схожий с ОШ, но отличается от него составом линий, сигналов и порядком их взаимодействия. МикроЭВМ семейства
«Электроника» аппаратно несовместимы с машинами типа СМ.
С другой стороны, все упомянутые выше машины имеют единую систему машинных команд, единый язык программирования низкого уровня
- язык Ассемблера, одинаковые принципы подсоединения и программного
управления как стандартными ВУ, так и измерительной аппаратурой, входящей в состав ИВК, одни и те же ОС. Все это определяет программную
совместимость рассматриваемых машин не только на уровне машинных
кодов, но и на уровне структурной организации программных комплексов
реального времени.
Практическое использование ЭВМ для автоматизации измерений или
построения автоматизированных приборов и установок не требует детального изучения структуры и функционирования системного интерфейса.
Однако представление об общих принципах и основных характеристиках
системного интерфейса облегчает рассмотрение средств связи измерительной аппаратуры с ЭВМ, режимов работы и особенностей программирования этой аппаратуры, возможностей оптимизации управляющих программ.
Несмотря на разнообразие задач, решаемых ЭВМ, процессы, происходящие на системной магистрали, ограничены небольшим числом основных
действий. К таким действиям можно отнести операции записи, чтения,
прерывания и прямого доступа в память (рис.8.1).
Рис.8.1. Основные действия на системной магистрали
Операция чтения позволяет процессору получать необходимую для
выполнения программы информацию: из ОП - код очередной команды или
данные (операнды выполняемой команды); из ВУ - слово состояния ВУ
или очередную порцию данных.
В процессе операции записи процессор передает в ОП результат вычислений, а в ВУ - новые значения управляющего слова или очередную
порцию данных (направление передачи данных определяется относительно
процессора: чтение в процессор, запись из процессора).
С помощью операции прерывания ВУ оповещает процессор о своей
готовности к передаче очередной порции данных. Эта операция позволяет
ВУ выполнять активную роль и создает предпосылки для оперативной обработки регистрируемых комплексом внешних событий.
Операция прямого доступа в память служит для быстрой передачи в
ОП или из нее отдельных порций или массива информации под управлением не процессора, как обычно, а контроллера ВУ (контроллера прямого
доступа). Использование прямого доступа существенно повышает скорость обмена информацией. Прямой доступ используется с такими стандартными ВУ, как НМД и НМЛ, а также с разнообразной измерительной и
регистрирующей аппаратурой (АЦП, регистрами, запоминающими
устройствами, служащими для предварительного накопления регистрируемых данных, и т. д.).
С помощью перечисленных операций реализуется все многообразие
действий, выполняемых ЭВМ. Редактирование текста создаваемой программы, трансляция, выполнение вычислительной задачи, прием информации из измерительной аппаратуры, управление автоматизированной
установкой - все это раскладывается на простейшие операции, прежде всего чтения и записи, а также, в случае необходимости, прерываний и прямого доступа. Быстродействие ЭВМ определяется скоростью выполнения
этих элементарных операций.
Для магистральных системных интерфейсов характерны некоторые
общие принципы построения. В процессе взаимодействия любых двух
устройств ЭВМ одно из них обязательно выполняет активную, управляющую роль и является задатчиком, второе же оказывается управляемым, исполнительным. Чаще всего функцию задатчика выполняет процессор.
Например, операции считывания из ОП очередной команды и ее операндов
или записи в управляющий регистр ВУ управляющей информации, а в регистр данных ВУ очередного данного, выполняются по инициативе и под
управлением ЦП, который выступает здесь в качестве задатчика. Исполнителем в первом случае является ОП, во втором - ВУ.
Внешнее устройство может стать задатчиком на ОШ в процессе выполнения операции прерывания, когда из ВУ в ЦП поступает адрес вектора
прерывания. Центральный процессор здесь играет пассивную роль исполнителя. Наконец, при операциях прямого доступа задатчиком является ВУ
(конкретнее, контроллер прямого доступа), а исполнителем - ОП.
Другим важным принципом, заложенным в структуру магистрального
интерфейса, является принцип запроса-ответа (квитирования): каждый
управляющий сигнал, посланный задатчиком, подтверждается ответным
сигналом исполнителя. При отсутствии ответного сигнала исполнителя в
течение заданного интервала времени (обычно 10-20 мкс, так называемый
тайм-аут) задатчик фиксирует ошибку обмена (исполнитель отсутствует,
неисправен, выключен) и прекращает данную операцию. Практически квитирование обычно реализуется так, как показано на рис.8.2.
Рис.8.2. Реализация квитирования
Сигнал, установленный задатчиком на какой-либо линии магистрали,
распространяется по ней и через некоторое время доходит до исполнителя.
Последний, получив сигнал задатчика, устанавливает на какой-то другой
линии магистрали ответный сигнал, который также начинает распространяться по магистрали. Через некоторое время он доходит до задатчика, который, получив этот сигнал, и, удостоверившись тем самым в том, что исполнитель присутствует и нормально функционирует, снимает свой сигнал. Исполнитель, зафиксировав прекращение действия сигнала задатчика,
снимает свой сигнал, и процесс обмена сигналами заканчивается. Такой
принцип обмена сигналами позволяет выполнять операции на магистрали с
максимально возможной для каждой пары задатчик-исполнитель скоростью при высокой надежности обмена.
Третья важная особенность архитектуры рассматриваемых ЭВМ заключается в идентичности подключения к системному интерфейсу всех
устройств ЭВМ, включая ОП и ЦП.
В составе магистрали отсутствуют специальные линии или сигналы
управления ВУ. Основным средством обмена информацией с ВУ являются
упомянутые выше операции чтения и записи. Идентичность подключения
к магистрали ОП и ВУ определяет возможность использования в процессе
управления ВУ весь набор команд процессора: пересылки, анализа содержимого, логических и арифметических операций. Схемы связи магистрали
ЭВМ с ВУ (интерфейсы ВУ) имеют в своем составе регистры, через которые и происходит передача информации. Каждому такому регистру (а число их в зависимости от сложности интерфейса может колебаться от 2 до
15-20) присваивается определенный адрес, точно так же, как и ячейкам
ОП. При этом адреса регистров ВУ и ячеек ОП не перекрываются.
Системная магистраль “I/O Channel” IBM PC/AT
Системная магистраль поддерживает порты ввода-вывода (ПВВ) в
диапазоне адресов от 100 до 3FF (шестнадцатеричных), 24-разрядное пространство памяти, 8- и 16-разрядные передачи данных, прерывание, каналы ПДП, генерацию тактов ожидания ВВ, регенерацию системной памяти
от ЦП. Магистраль AT-bus объединяет восемь 62-контактных и шесть 36контактных двухрядных соединителей непосредственного контактирования. Ряды 62-контактного соединителя имеют обозначения A и B, а 36контактного - C и D. Обозначение, функциональное назначение и распределение сигналов по контактам соединителей показано в таблице 8.1.
Во время обращения к памяти или ПВВ шина адреса SA0-SA19 возбуждается в течение действия строба адреса BALE и должна быть зафиксирована в адресном регистре адресуемого модуля. Старшие разряды адреса LA17-LA23 удерживаются в цикле шины и не требуют запоминания в
регистре. Сигнал SBHE возбуждается при передаче данных в старшем байте шины SD8-SD15. Сигналы SMEMR, MEMR, IOR, SMEMW, MEMW,
IOW возбуждаются МП или каналом ПДП и идентифицируют соответствующую операцию памяти или ПВВ. Сигналы MEMR и MEMW возбуждаются при обращении ко всей памяти, а сигналы SMEMR и SMEMW при обращении к младшей области памяти емкостью 1 Мбайт.
Линии MEM CS16 и I/O CS16 сигнализируют системной плате о том,
что выбранный модуль памяти или ПВВ осуществляет цикл передачи 16разрядных данных с одним тактом ожидания. Эти сигналы должны вырабатываться дешифратором старших разрядов адресов LA17-LA23.
Линия OWS используется для сообщения МП, что текущий цикл передачи выполняется без тактов ожидания. Сигнал должен вырабатываться
дешифратором адреса выбранного устройства. При возникновении во время передачи на магистрали ошибки четности возбуждается линия I/O
CHCK.
Для работы с низкоскоростными устройствами используется сигнал
готовности I/O CHRDY, блокируя который устройство переводит МП в
такты ожидания до тех пор, пока оно не будет готово передать информацию. Задержка выработки этого сигнала не должна превышать 2.5 мкс.
Линии IRQ3-IRQ15 используются для передачи запросов прерывания
от портов ВВ к МП. При этом в группе высокого приоритета высший приоритет имеет IRQ9, а в группе низкого приоритета - IRQ3. Линия прерывания IRQ13 используется системной платой и не выводится на магистраль.
Прерывание IRQ8 используется для генератора реального времени.
Запросы на обслуживание DRQ0-DRQ7 и сигналы линии подтверждения DACK0-DACK7 используются ПУ или МП ввода-вывода для получения ПДП или управления системой. Запрос DRQ0 имеет высший приоритет. Запрос DRQ4 используется системной платой и не выводится на магистраль. Линия T/C используется для сообщения о выполнении последнего
цикла при передаче массива данных по ПДП.
Таблица8.1
Линии сигналов системной магистрали IBM PC/AT-bus
Номер контакта
A9-A2
C11-C18
A31-A12
C8-C2
B28
C1
B12
B11
C9
C10
B8
B14
B13
D1
D2
A1
A10
B25-B21
B4
D3-D7
D9, B18
B6, B16
D11, D13, D15
D8, B17,
B26, B15
D10, D12
D14
D17
A11
B27
B30
B20
B2
B19
B3, B29, D16
B5
B9
B7
B1, B10, B31, D18
Обозначение
Назначение
Передача данных
SD0-SD7
Младший байт шины данных
SD8-SD15
Старший байт шины данных
SA0- SA19
Шина адреса
LA17-LA23
Старшие разряды шины адреса
BALE
Строб адреса
SBHE
Признак старшего байта
SMEMR
Чтение из области младших адресов памяти
SMEMW
Запись в область младших адресов памяти
MEMR
Чтение из памяти
MEMW
Запись в память
OWS
Признак отсутствия тактов ожидания
IOR
Чтение из ПВВ
IOW
Запись в ПВВ
MEM CS16
Признак передачи 16-разрядных данных
из памяти с одним тактом ожидания
I/O CS16
Признак передачи 16-разрядных данных
из порта ВВ с одним тактом ожидания
I/O CHCK
Признак ошибки четности
I/O CHRDY
Готовность устройства
Прерывание и управление ПДП
IRQ3-IRQ7
Запросы прерывания низкого приоритета
IRQ9,
Запросы прерывания высокого приоритета
IRQ10-IRQ12,
IRQ15, IRQ14
DRQ0-DRQ3
Запросы ПДП высокого приоритета
Запросы ПДП низкого приоритета
Подтверждение захвата высокого
приоритета
DACK5-DACK7
Подтверждение захвата низкого
приоритета
MASTER
Удержание магистрали
AEN
Разрешение адреса
T/C
Конец передачи
Общее управление
OSC
Синхронизация
CLK
Системный генератор
RESET DRV
Системный сброс
Refresh
Регенерация динамической памяти
Электропитание
+5 V
Напряжение питания +5 В
-5 V
Напряжение питания -5 В
+12 V
Напряжение питания +12 В
-12 V
Напряжение питания -12 В
Ground
Общий
DRQ5-DRQ7
DACK0-DACK3
По линиям AEN МП или другое устройство сигнализирует каналу
ПДП о том, что шины адреса, данных и управления магистрали свободны и
могут быть использованы для выполнения циклов передачи ПДП. Линию
MASTER применяют для удержания системной магистрали МП вводавывода в режиме ПДП. Длительность этого сигнала не должна превышать
15 мкс, чтобы блокировка регенерации не привела к разрушению информации в динамической памяти.
Сигналы CLK и OSC - синхроимпульсы скважностью 2 и частотой соответственно 6 и 14.31818 МГц. Системный сброс RESET DRV используется для сброса и инициализации системы после выключения питания.
Сигнал Refresh вырабатывается МП для инициализации цикла регенерации
динамической памяти.
Сигналы на магистрали имеют уровни ТТЛ. В качестве приемников
используются маломощные ТТЛШ.
Интерфейсы магистрально-модульных мультипроцессорных систем
Современные магистрально-модульные мультипроцессорные системы
(ММС) базируются на интерфейсах, которые по архитектуре и функциональным возможностям значительно отличаются от системы интерфейсов
ЭВМ типа «Общая шина» (первое поколение) и поэтому часто называются
интерфейсами второго поколения или интерфейсными системами.
Интерфейс в системах рассматривается как способ организации
средств передачи информации между отдельными подсистемами, регламентирующий дисциплину работы и эффективность функционирования
системы в целом. Интерфейсы содержат несколько магистралей, часть которых обеспечивает высокое быстродействие при взаимодействии модулей
внутри блоков, а другая часть - обмен информацией между блоками.
Структура ММС
Общая архитектура ММС на базе интерфейсной системы содержит
(рис.8.3) несколько сегментов, каждый из которых включает одну или несколько машин, имеющих в своем составе одноплатную микроЭВМ и платы, расширяющие ее возможности и подсоединяемые посредством локальной магистрали (ЛМ).
Несколько машин, входящих в состав одного сегмента, связываются
между собой по системной магистрали (СМ), выполненной в виде объединительной печатной платы. Отдельные сегменты соединяются друг с другом последовательной магистралью (ПМ) или через сегментатор (СГМ).
Основной магистралью ММС, реализующей мультипроцессорную работу и объединяющей большинство модулей сегмента, является СМ. Самой быстродействующей магистралью, используемой обычно для расширения памяти процессоров, является ЛМ. ЛМ имеет уменьшенное адресное
пространство, меньшую нагрузочную способность по сравнению с СМ и
может обслуживать один или два задатчика.
Рис.8.3. Общая архитектура ММС: Пр - процессор;
ЗУ - запоминающее устройство; ВВ - ввод-вывод
Работа магистралей основывается на принципе «задатчикисполнитель». Несколько задатчиков используют магистрали с разделением времени в соответствии с заданным алгоритмом арбитража.
Максимальная длина СМ 50 см (число объединяемых модулей до 20),
длина ЛМ - 8...12 см (число модулей до 6), длина ПМ (кабельная линия) до 10 м.
Интерфейсы периферийного оборудования
Использование различных функциональных классов периферийных
устройств, отличающихся физическими принципами работы, быстродействием, уровнями сигналов, обусловило унификацию интерфейсов ПУ соответствующих функциональных классов. Интерфейсы ПУ разделяются на
две большие категории: 1) радиального и 2) магистрального подключения.
В свою очередь, интерфейсы радиального и магистрального вида могут
быть локального и удаленного, последовательного и параллельного подключения.
Интерфейс ИРПР
Для подключения к ЭВМ стандартного периферийного оборудования
(алфавитно-цифровых терминалов, устройств печати, перфоленточных
устройств ввода-вывода и др.) используется радиальный параллельный интерфейс (ИРПР).
В зависимости от типа подключаемого оборудования конкретная реализация интерфейса может иметь те или иные отличия. Этот интерфейс
можно также использовать и для сопряжения с ЭВМ нестандартного измерительного или управляющего оборудования, а также для связи ЭВМ при
организации двух- и многомашинных комплексов.
Функциональные характеристики ИРПР основаны на следующих
принципах: метод передачи данных между источником (И) и приемником
(П) не зависит от типа устройства; на передаваемые данные ограничения
не накладываются.
Передача данных осуществляется между одним источником и одним
приемником. Для дуплексного режима обмена требуется два сопряжения.
Набор линий сопряжения приведен в таблице 8.2.
Таблица 8.2
Линии интерфейса ИРПР
Обозначение
Направление
Русское
Междунар.
Линии заземления
Экран
Э
S
Пассивная
Нуль
ОВ
Z
линия
Линии управления
Готовность источника
ГИ
SO
от И к П
Готовность приемника
ГП
AO
от П к И
Строб источника
СТР
SC
от И к П
Запрос приемника
ЗП
AC
от П к И
Линии сигнальные
Данные (20..27)
Д0..Д7
D0..D7
от И к П
* Контрольный разряд (КР)
младшего байта
КР0
DP0
от И к П
8 15
* Данные (2 ..2 )
Д8..Д15
D8..D15
от И к П
* КР старшего байта
КР1
DP1
от И к П
* Состояние приемника
СП1..СП8
A1..A8
от П к И
* Состояние источника
СИ1..СИ8
S1..S8
от И к П
Примечание. * Эти линии необязательны и в сопряжении могут отсутствовать
Наименование
Линия Э служит для защиты от помех сигналов управления и передаваемых данных. Линия соединяется с металлическим корпусом устройства,
подключенным к общей земле.
Линия ОВ подсоединяется к точке, принятой в данном устройстве за
нулевую и изолированной от металлического корпуса.
Линия ГИ (готовность источника)
Логическая «1» на линии ГИ означает, что источник работоспособен и
готов к передаче информации под управлением сигналов СТР и ЗП. Логический «0» на линии ГИ означает, что источник не работоспособен и состояние других линий должно игнорироваться приемником. Сигнал ГИ не
зависит от состояния сигнала ГП.
Линия ГП (готовность приемника)
Логическая «1» на линии ГП означает, что приемник работоспособен и
готов к приему информации под управлением сигналов СТР и ЗП. Логический «0» на линии ГП означает, что приемник не работоспособен и состояние других линий должно игнорироваться источником. Сигнал ГП не зависит от состояния сигнала ГИ.
Линия СТР (строб источника)
Логическая «1» на линии СТР означает, что на линиях данных комбинация сигналов действительная при логической «1» на линии ЗП. Логический «0» на линии СТР означает, что на линиях данных комбинация сигналов может быть недействительной.
Сигнал СТР может перейти из логического «0» в логическую «1» лишь
после того, как сигнал ЗП перешел в логическую «1». Сигнал СТР может
перейти из логической «1» в логический «0» лишь после того, как сигнал
ЗП перешел в логический «0».
Линия ЗП (запрос приемника)
Логическая «1» на линии ЗП означает, что приемник запрашивает новую информацию от источника. Логический «0» на линии ЗП означает, что
приемник не готов к приему нового сигнала, но принял предыдущий символ, если он был.
Приемник не должен принимать данные, если сигнал СТР не перешел
в логическую «1». Когда приемник принял символ, он может установить
сигнал ЗП в логический «0» в любой момент времени. Приемник должен
держать линию ЗП в логическом «0» до тех пор, пока не появится логический «0» на линии СТР.
Сигнальные линии
Линии данных используются для передачи до 16 разрядов данных от
источника. Контрольные разряды КР0 и КР1 устанавливаются такими,
чтобы сумма единиц в соответствующем байте данных была нечетной.
Обмен данными
Обмен данными происходит в жестко обусловленном режиме «запросответ». Источник может изменить значение сигнала СТР только тогда, когда приемник изменил значение сигнала ЗП. Приемник может изменить
значение сигнала ЗП только тогда, когда источник изменил значение сигнала СТР.
Временная диаграмма обмена в ИРПР приведена на рис.8.4. Устройство, принимающее сигналы, должно компенсировать разницу в задержке
принимаемых сигналов.
Техническая реализация
Тип, требования к физической реализации, назначение контактов разъема для выхода на ИРПР не регламентируются. Интерфейсный кабель
должен иметь волновое сопротивление 110 ± 20 Ом.
Рис.8.4. Временная диаграмма обмена в ИРПР:
Тк - время задержки кабеля; Ти - восприятия
сигнала источником; Тп - восприятия сигнала
приемником; Т1, Т3 - выполнения операции
источником; Т2, Т4 - выполнения операции
приемником
Уровни сигналов должны соответствовать уровням для микросхем типа ТТЛ. Используемая логика - отрицательная. В качестве передатчиков
должны применяться микросхемы с открытым коллекторным выходом с
допустимым током нагрузки не менее 40 мА. Входной ток приемника не
более 1.6 мА.
Передатчик не должен выходить из строя при:
1) коротком замыкании между сигнальной линией и линией ОВ, а также между двумя сигнальными линиями;
2) работе на кабель, отсоединенный на другом конце, или при отсоединенном кабеле;
3) работе на включенный или выключенный приемник непосредственно или через кабель.
Приемник должен:
1) воспринимать обрыв или отсутствие кабеля, а также выключенное
питание передатчика как логический «0»;
2) не выходить из строя при соединении с включенным или выключенным передатчиком при любом его логическом состоянии.
Интерфейс должен быть работоспособным при использовании кабеля
длиной до 15 м.
Интерфейс ИРПС
Когда источник или приемник информации удален от ЭВМ на значительное расстояние, применяется последовательная передача. Прежде чем
начать последовательную передачу, необходимо выполнить преобразование данных из параллельной формы в последовательную. Вначале данные
загружаются в сдвиговый регистр. Содержимое регистра сдвигается на
один разряд при поступлении каждого тактового импульса. Процесс преобразования данных из параллельной формы в последовательную представлен на рис.8.5.
Рис.8.5. Передача данных по линии последовательной передачи:
СД - сдвиговый регистр; СР - старший разряд; МР - младший
разряд; ГТИ - генератор тактовых импульсов
При приеме необходимо выполнить действия, обратные по отношению
к описанным выше. Данные вводятся бит за битом в сдвиговый регистр,
затем из него в параллельной форме передаются в ЭВМ.
Устройство, обеспечивающее преобразование данных из параллельной
формы в последовательную и обратное преобразование, называют универсальным асинхронным приемопередатчиком (УАПП). Приемопередатчик
выполняет также важные функции контроля и управления. Он добавляет к
каждому передаваемому символу стартовый бит и стоп-бит. На рис.8.6
изображено 8-битовое слово данных и показаны дополнительные биты.
Стартовый бит всегда имеет значение логического «0», стоп-бит - логической «1».
Рис.8.6. Слово данных с дополнительными битами
Скорость передачи данных принято измерять в бодах. Один бод равен
одному биту в секунду. Например, скорость передачи 1200 бод означает,
что за одну секунду будет передано 120 10-битовых символов: стартовый
бит, 8 бит данных и стоп-бит.
Если при передаче данных применяется контроль на четность, то
восьмому биту придается значение логического «0» или «1» так, чтобы в
передаваемом 8-битовом слове данных было четное количество единиц.
Иногда используется бит нечетности. В этом случае общее количество
единиц в 8-битовом слове должно быть нечетным.
Сигналы в линии могут иметь различное представление. При передаче
на небольшие расстояния в линии действуют уровни напряжения 3..5 В.
При больших расстояниях (до 1.5 км) используют токовую петлю - импульсы постоянного тока 20 или 40 мА. В случае дуплексной связи (т. е.
передачи информации как в прямом, так и в обратном направлении) используют четырехпроводную линию.
Асинхронная связь постоянным током (токовая петля) по четырехпроводной дуплексной линии носит название радиального последовательного интерфейса (ИРПС).
Упрощенная структурная схема УАПП приведена на рис.8.7.
Рис.8.7. Структура УАПП
УАПП состоит из трех секций: передачи, управления и приема. Секция
передачи служит для преобразования данных из параллельной формы в
последовательную. Байт данных поступает из ЭВМ в параллельной форме
в регистр данных РД передатчика. После завершения передачи в линию
предыдущего байта и освобождения выходного регистра байт данных переносится (также параллельно) в выходной сдвиговый регистр. Здесь к
нему добавляются служебные биты: стартовый, стоповый, бит четности.
Полученное таким образом содержимое кадра многократно сдвигается в
сторону младших битов, в результате чего на выходе концевого триггера
регистра, связанного с передающей линией, последовательно появляются
значения всех битов кадра. Пока байт данных передается в линию, в РД
передатчика может загружаться из ЭВМ следующий байт данных.
Секция приема работает аналогично. Биты, поступающие из линии,
вдвигаются во входной сдвиговый регистр. После получения всего кадра
из него убираются служебные биты и оставшаяся часть переносится параллельно в РД приемника, откуда по команде программы данные принимаются в ЭВМ.
В секции управления имеются регистры команд и состояний РКС
(обычно два), с помощью которых программно устанавливаются характеристики УАПП и фиксируются ошибки приема данных.
Линии последовательной передачи данных
Линии последовательной передачи подключаются к устройствам с использованием одного из двух стандартов, показанных на рис.8.8.
Рис.8.8. Интерфейс EIA RS-232 (а); интерфейс по току (б)
Широко распространенным является стандарт EIA RS-232C (рис.8.8а),
разработанный ассоциацией предприятий электронной промышленности
США. Согласно этому стандарту, уровню логической «1» соответствует
напряжение +3 В (сигнал высокого уровня), а уровню логического «0» напряжение -3 В (сигнал низкого уровня). Стандарт RS-232 используется
для большинства видеотерминалов и других устройств, удаленных от ЭВМ
на расстояние до 100 м.
На рис.8.8б изображен источник постоянного тока 20 мА. В этом случае передача сигналов осуществляется посредством включения и отключения указанного источника.
Как линии стандарта RS-232, так и 20-миллиамперные передатчики и
приемники часто подключаются к устройствам через оптоизоляторы на
светоизлучающих диодах. Оптоизоляторы (гальваническая развязка на
оптопарах) защищают УАПП и микропроцессор от высокого напряжения и
от наводок, которые могут образоваться в линиях.
Интерфейсы программируемых приборов.
Общее построение интерфейса Hewlett-Packard
Взаимосвязь приборов в системе осуществляется при помощи магистрали, состоящей из 16 сигнальных линий, сгруппированных по функциональному признаку в три шины: информационную (шина данных), синхронизации, управления. К этим шинам подключаются приборы, общее
число которых не должно превышать 15. В любой момент времени каждый
из конкретных приборов, подключенных к магистрали, может выполнять
функции источника, приемника, контроллера или не участвовать в обмене
данными.
Устройство-источник выдает на шину интерфейса информацию, которая передается на один или несколько приемников (а не на контроллер) и
воспринимается ими. Контроллер только управляет потоком информации в
магистрали, определяя, какой из приборов должен посылать информацию,
а какие - ее принимать. Задачи приборов, не участвующих в обмене информацией, ограничиваются контролем сигналов, проходящих по магистрали.
Интерфейсные функции (функции источника, приемника или контроллера) могут быть произвольно распределены между приборами, входящими в систему, а также совмещены в конкретных приборах. По магистрали
передаются: цифровые данные и приборные команды, сигналы запроса
связи и управления передачей данных, команды сопряжения. В состав команд сопряжения входят: многопроводные адресные команды, универсальные команды сопряжения, адресованные многопроводные команды
сопряжения, вторичные многопроводные команды.
Сигнальные шины и передаваемые сигналы
Вся содержательная информация и многопроводные команды передаются по восьми линиям информационной шины DIO (ЛД). Передача осуществляется в оба направления, асинхронно и последовательнопараллельно: символом по восемь разрядов параллельно и побайтно последовательно. Форма представления чисел сходна с обычной записью.
Для обозначения конца записи чаще всего используют символы CR (ВК) и
LF (ПС).
Управление передачей каждого байта сообщения осуществляют сигналы, проходящие по линиям шины синхронизации:
1) DAV (СД) - информация достоверна, вырабатывается устройствомисточником и указывает на то, что установленные на шинах данные верны,
и можно принимать этот байт;
2) NRFD (ГП) - неготовность к приему информации, вырабатывается
приемником;
3) NDAC (ДП) - информация не принята, также вырабатывается приемником.
Управление работой магистрали осуществляется при помощи сигналов, проходящих по пяти линиям шины управления:
1) ATN (УП) - вырабатывается контроллером, указывает, как следует
интерпретировать данные, поступающие по линиям DIO, - как интерфейсную команду или как содержательное сообщение;
2) IFC (ОК, ОИ) - очистить интерфейс, вырабатывается контроллером,
чтобы привести узлы приборов, связанные с интерфейсом, в исходное состояние;
3) SRQ (ЗО) - запрос на обслуживание, вырабатывается источником
или приемником и указывающий на необходимость организации с ним
связи для обмена информацией;
4) REN (ДУ) - разрешено дистанционное управление, вырабатывается
контроллером для задания режима работы устройств (переход на дистанционное управление вместо управления от внутренних узлов устройств);
5) EOI (КП) - конец или идентификация, вырабатывается источником
(чтобы отметить конец многобайтного сообщения) или контроллером.
Адресация
Выбор адреса источника и приемника осуществляет контроллер посылкой двух или более многопроводных команд по шине ЛД. Под их действием выбирается один (и только один) прибор, который затем будет передавать данные на информационную шину. Запрещается выдача информации от всех других приборов и выбирается один или несколько приборов, которые затем будут принимать данные.
При адресации приборов контроллер использует семь из восьми линий
шины ЛД (свободной остается линия самого старшего разряда - ЛД7). Это
позволяет использовать в качестве контроллера устройства, работающие в
семиразрядном коде ASCII.
Сообщение, поступающее на прибор с интерфейсной шины, воспринимается как команда, если оно сопровождается сигналом на линии УП.
В противном случае это сообщение интерпретируется как содержательное.
Если на линиях ЛД6 и ЛД5 установлены логические сигналы 00, то
команда воспринимается как универсальная (UC), если заданы сигналы
10 - то как адрес источника (ADT), если 01 - как адрес приемника (ADL) и
если 11 - как вторичная команда (SE).
Посылкой в линиях ЛД0...ЛД4 кода сигнала 11111 образуются команды запрета: при признаке адреса источника ADT - запрещая прибору выдавать информацию (НЕ ПРД), при адресе приемника ADL - запрещая прибору воспринимать информацию (НЕ ПРМ), и при признаке вторичной
команды (SE) - запрещая выполнять команду. Команда «Не принимать информацию» используется, когда необходимо отключить все ранее выбранные приемники, а команда «Не выдавать информацию» - когда необходимо отключить ранее выбранный источник.
При построении системы каждому прибору присваивают один или несколько адресов, отличающихся от адресов всех других приборов. Однако
приборы, которые должны одновременно воспринимать одни и те же данные, имеют одинаковый адрес.
Передача информации по магистрали
Передача информации от источника к приемнику происходит побайтно и координируется при помощи трех сигналов: СД, ГП, ДП.
Обмен этими сигналами осуществляется по циклу: запрос-ответподтверждение и может иметь место только после того, как выбран источник и приемник информации и связь установлена.
Цикл передачи каждого байта состоит из трех фаз: 1) источник выдает
новый информационный байт и устанавливает соответствующие сигналы
на линиях ЛД0...ЛД7; 2) приемник воспринимает данный байт и разрешает
снять с шины ЛД сигналы; 3) устройства подготавливаются к приему следующего байта. Процесс передачи информации иллюстрируется на рис.8.9.
Рис.8.9. Временная диаграмма сигналов
в приборном интерфейсе
Изменение логических сигналов на шинах и выполнение интерфейсных операций осуществляются в следующей последовательности:
1. Исходное состояние устройств, в котором на линии СД установлен
высокий уровень сигнала (т. е. данные на шине ЛД не достоверны), а на
линиях ГП и ДП - низкий (т.е. ни один из приемников не готов к приему
информации и не принял ее).
2. Источник проверяет состояние приемника (его готовность к приему
очередного байта информации); если исходное состояние правильно, то он
выставляет на шине ЛД байт данных; если же не верно - сигнализирует о
наличии ошибки и прекращает процесс обмена. Этому этапу соответствует
момент времени t-2.
3. Приемники (в момент t-1) указывают на готовность принять данные,
меняя уровень на линии ГП с низкого на высокий.
4. Под действием высокого потенциала на линии ГП источник снижает
уровень сигнала СД (в момент t0). Это означает, что все данные выставлены и верны, т. е. пригодны к приему.
5. Каждый из приемников в ответ на изменение сигнала СД в момент t1
снимает сигнал ГП, указывая, что состояние готовности к приему сменяется на прием данных. Вслед за этим осуществляется прием выставленного
на шине ЛД байта информации.
6. Приняв байт данных, приемник изменяет уровень на линии ДП с
низкого на высокий (указывая, что данные приняты). В зависимости от
условий и быстродействия приемника смена уровня происходит в интервале времени t2-t3.
7. В ответ на повышение уровня на линии ДП источник изменяет уровень сигнала СД с низкого на высокий. С момента t4 данные не считаются
более верными, о чем и сообщается приемникам.
8. Источник проверяет, есть ли еще информация. Если она есть, то
подготавливается к выдаче следующего байта данных, а если нет - цикл
обмена завершается.
9. Приемник под действием высокого уровня сигнала на линии СД меняет уровень на линии ДП на низкий, подготавливаясь к следующему циклу обмена (момент t5).
Этапы 1, 2, 3, 4 относятся к первой, 5, 6 - ко второй, 7, 8, 9 - к третьей
фазе цикла передачи очередного байта данных.
Поиск источников запроса
При появлении сигнала ЗО необходимо установить адрес прибора, запросившего обслуживание. Такой поиск в системе можно проводить последовательным и параллельным методами.
При последовательном методе поиска поочередно опрашивается каждый из приборов, входящих в систему, пока не будет выявлено устройство,
пославшее запрос. Для ускорения поиска в системе предусмотрен параллельный опрос группы приборов, проводимый контроллером. Ответное
сообщение, содержащее данные о требованиях запроса в каждом из приборов или об отсутствии таковых, передается по шине ЛД. В этом режиме
каждый прибор приписывается к одной из линий ЛД, т. е. за одно обращение может быть определено состояние восьми устройств. Наличие сигнала
на соответствующей линии ЛД указывает, что данный прибор требует обслуживания.
Электрические условия
Сигналы на линиях магистрали соответствуют уровням схем ТТЛ: высокий уровень - напряжению не менее +2.4 В, а низкий - напряжению не
более +0.8 В. В интерфейсе принята отрицательная логика, т. е. логическому нулю соответствует высокий уровень напряжения в линии, а логической единице - низкий уровень. Такая логика позволяет для выбранной
схемы выходных каскадов (с разомкнутым коллектором и резистивной
нагрузкой) осуществить логическое сложение сигналов, поступающих на
линию от разных источников. Сложение требуется, например, для линии
запроса на обслуживание.
Однако в двух линиях - ГП и ДП - логика должна быть положительной,
чтобы осуществить логическое умножение сигналов.
При работе с несколькими приемниками каждый из них может разновременно вырабатывать сигнал готовности к приему данных. На линии ГП
уровень должен измениться только тогда, когда в состояние готовности
переходит самое медленное из устройств-приемников, т. е. будут готовы
все приемники.
Аналогично должно производиться логическое умножение сигналов,
свидетельствующих о приеме данных и приходящих по линии ЛД; информационный байт может быть заменен на новый или снят, только когда сообщение было принято всеми устройствами-приемниками. Поэтому в магистрали в этих двух линиях использованы инверсные по отношению к
рассмотренным сигналы.
Сигнальная линия магистрали подключается в каждом приборе к средней точке резистивного делителя, в котором один из резисторов с сопротивлением 3 кОм соединен с шиной +5 В, а другой резистор с сопротивлением 6.2 кОм - с нулевой шиной.
Конструктивные условия
Приборы соединяют в систему при помощи гибких кабелей, на каждом
конце которых распаяны двусторонние штепсельные разъемы с винтовым
креплением.
Скорость передачи данных
При достаточно быстродействующих устройствах максимальная скорость передачи информационных сообщений равна: 250 кбайт/с - при
длине кабеля до 20 м и ТТЛ-элементах с разомкнутым коллектором в выходных каскадах; 1 Мбайт/с - с магистральными усилителями в выходных
каскадах, но при длине кабеля не превышающей 1 м на каждый из используемых в системе приборов.
Интерфейсы системы КАМАК
Система КАМАК (CAMAC - Computer Automated Measurement and
Control - автоматизированные средства измерения и управления) разработана комитетом ESONE, подготовившим подробные спецификации и выпустившим стандарты, которые приняты также основными международными и отечественными организациями по стандартизации. КАМАК представляет собой систему электронных модулей, предназначенную для построения цифровых измерительных установок, управляемых от ЭВМ.
КАМАК удачно объединяет в себе, с одной стороны, богатый набор
электронных функциональных модулей самого разнообразного назначения
(усилители, счетчики, таймеры, аналого-цифровые и цифроаналоговые
преобразователи, запоминающие устройства и т. д.), а с другой стороны, средства связи всей этой аппаратуры с ЭВМ, для чего предусмотрен специальный управляющий модуль - контроллер КАМАК.
Всеми процессами на магистрали управляет (по командам от ЭВМ)
контроллер, однако, если в модуле возникла ситуация, требующая вмешательства ЭВМ, модуль может послать в контроллер запрос на обслуживание. Стандартизация модулей по конструкции, способу подсоединения к
магистрали, характеристикам электрического питания, параметрам входных и выходных сигналов позволяет быстро собирать и модернизировать
экспериментальные установки, комплектуя их требуемыми модулями, а
единая система команд существенно облегчает разработку алгоритмов
управления системой. Технические вопросы согласования модулей отпадают ввиду всесторонней стандартизации системы.
Конструктивной основой системы КАМАК является специальный каркас - крейт, содержащий 25 станций (направляющих, по которым в крейт
вдвигаются модули). В зависимости от сложности модуль может иметь
единичную ширину L=17.2 мм и занимать одно место в крейте, либо ширину, кратную L. Контроллер обычно занимает два крайних правых места.
На рис.8.10 приведено изображение магистрали крейта.
Рис.8.10. Магистраль крейта КАМАК
Большая часть линий магистрали - параллельные линии, соединяющие
одноименные контакты всех разъемов. Сигналы, передаваемые по этим
линиям, доступны всем модулям. Рабочая информация в системе КАМАК
передается 24-разрядным двоичным параллельным кодом, для чего служат
24 линии чтения R (передача из модулей в контроллер) и 24 линии записи
W (передача данных из контроллера в модули).
Поскольку в каждом модуле могут размещаться несколько функциональных узлов (например, несколько счетчиков) и, кроме того, еще имеются многочисленные обслуживающие схемы, для адресации к элементам
модуля служат 4 линии субадреса A, по которым номер узла в модуле или
его субадрес передается также двоичным параллельным кодом. Всего, таким образом, в каждом модуле может использоваться до 24=16 субадресов.
В процессе обращения контроллера к модулю может быть задано выполнение различных операций - чтение или запись информации, опрос состояния регистра и т. д. Для передачи кода операции предусмотрены
5 линий функций F, что дает возможность использовать до 32 различных
функций. Значения функций стандартизированы (см. таблицу 8.3.).
Таблица 8.3
Функции системы КАМАК
Двоичный код
F(0)
Чтение регистра первой группы
00000
F(1)
Чтение регистра второй группы
00001
F(2)
Чтение и сброс регистра первой группы
00010
F(3)
Чтение обратного кода регистра первой группы
00011
F(8)
Проверка запроса
01000
F(9)
Сброс регистра первой группы
01001
F(10)
Сброс запроса
01010
F(11)
Сброс регистра второй группы
01011
F(16)
Запись в регистр первой группы
10000
F(17)
Запись в регистр второй группы
10001
F(18)
Селективная установка регистра первой группы
10010
F(19)
Селективная установка регистра второй группы
10011
F(21)
Селективный сброс регистра первой группы
10101
F(23)
Селективный сброс регистра второй группы
10111
F(24)
Запрещение
11000
F(25)
Исполнение
11001
F(26)
Разрешение
11010
F(27)
Проверка статуса
11011
Примечание: Функции F с номерами 4, 6,12, 14, 20, 22, 28, 30 не
стандартизированы; - с номерами 5, 7, 13, 15, 29, 31 резервные
Номер
Наименование
Группа параллельных линий отводится для управления и передачи
служебных сигналов. Сюда относятся линии (и соответственно сигналы) Z,
C, I, B, Q, X, S1, S2. Некоторые из этих сигналов (B, S1, S2) генерируются
контроллером или модулями автоматически в процессе обмена информацией по магистрали, на них нельзя воздействовать программным образом.
Другие сигналы устанавливаются, снимаются, контролируются программно, их назначение необходимо понимать для правильного составления программ управления. Рассмотрим кратко последнюю группу сигналов.
Сигнал Z (начальная установка) служит для приведения всей системы
в исходное состояние. По этому сигналу сбрасываются (очищаются) регистры всех модулей крейта, блокируются входы и выходы модулей и т. д.
Сигнал C (сброс) вызывает сброс регистров модулей крейта.
Сигнал I (запрет) запрещает любые действия в модулях. В отличие от
сигналов Z и C, имеющих импульсный характер, сигнал I может быть
установлен в магистрали на заданное время. После сброса сигнала I модули снова становятся работоспособными.
Сигнал Q (ответ) генерируется модулем в ответ на адресуемые ему вопросы о состоянии тех или иных узлов. Значение Q = 1 рассматривается
как утвердительный ответ, Q = 0 - как отрицательный.
Послав, например, в модуль команду «Проверка состояния входа»,
можно по состоянию сигнала Q установить, открыт вход модуля (в этом
случае Q = 1) или закрыт (Q = 0).
Если модуль имеет несколько входов, можно опросить их последовательно и, анализируя состояние сигнала Q после каждого вопроса, выявить, какие входы открыты и какие закрыты.
Сигнал X (команда принята) вырабатывается модулем всякий раз при
получении им «законной» команды, которую данный модуль в состоянии
выполнить. Нулевое значение сигнала X (X = 0) указывает на наличие неисправности (например, отсутствие адресуемого модуля) или серьезной
ошибки в программе обслуживания (в модуль послана команда, которую
он не может выполнить).
Две группы линий (N и L) служат для установления связи контроллера
с определенным модулем. В отличие от остальных линий магистрали линии N и L имеют радиальный характер. Каждый модуль связан с контроллером индивидуальной парой линий N и L.
Когда контроллер генерирует команду обращения к какому-то модулю,
он устанавливает соответствующую функцию КАМАК на линиях F, требуемый субадрес - на линиях A и возбуждает линию N, соответствующую
адресуемому модулю. Сигналы F и A поступают во все модули. Однако
воспринимает их только тот модуль, который присоединен к возбужденной линии N, т. е. модуль, установленный на станции с номером N.
Если в модуле создалась ситуация, требующая вмешательства ЭВМ
(АЦП преобразовал входной сигнал в код, счетчик зарегистрировал заданное число импульсов и т. д.), модуль может послать в контроллер запрос на
обслуживание, установив логическую 1 на линии L.
Обычно возбуждение линии L (L-запрос) приводит к прерыванию текущей программы и переходу на программу обработки прерывания от данного модуля. Поскольку от каждого модуля в контроллер идет индивидуальная линия L, контроллер, получив запрос, может определить, из какого
именно модуля он пришел.
Как уже отмечалось, каждая команда, с которой контроллер обращается к какому-либо модулю, состоит из трех элементов: функции F, субадреса A, номера адресуемого модуля N.
Управление аппаратурой КАМАК и заключается в выполнении последовательности команд N A F (команд КАМАК), соответствующей заданному алгоритму функционирования установки.
Требуемая последовательность команд N A F записывается в виде машинной программы. Выполнение ЭВМ группы машинных команд, описывающих некоторую команду КАМАК, приводит к передаче в контроллер
всех трех элементов этой команды: N, A, F.
Контроллер, получив эту информацию, возбуждает соответствующие
линии магистрали, чем и достигается выполнение команды.
К параллельной магистрали ветви ИВК можно подключить до семи
крейтов (локальные межсоединения). Последовательная магистраль ветви
ИВК используется для конфигураций, содержащих до 62 крейтов КАМАК
(распределенные соединения, в условиях помех).
Структуры средств системного обмена
Средства системного обмена можно условно разделить на три группы:
1) средства межмашинной связи (СММС), 2) контроллеры ветвей (КВ),
3) адаптеры (А). Общим для всех этих средств (что и определило их выделение в одну группу) является функциональное назначение, которое заключается в обеспечении связи между аппаратурой, объединенной различными видами системного обмена. В дальнейшем средством системного
обмена будем называть любое средство, обеспечивающее связь между
двумя интерфейсами, пусть даже одинаковыми.
Средства межмашинной связи и контроллеры ветвей связывают между
собой системные магистрали или радиальные интерфейсы. Адаптеры связывают системный интерфейс с прибором или периферийным устройством.
Если один из интерфейсов является «верхним», а другой - «нижним» и
управление всегда производится «сверху вниз», то средство, связывающее
такие интерфейсы, является контроллером ветви.
Если в структуре системы иерархия интерфейсов не определена однозначно, и каждый из них может быть как «верхним», так и «нижним», то
средство, связывающее интерфейсы, является СММС, так как при такой
организации необходимо наличие «интеллекта» на обоих интерфейсах.
Контроллер ветви
Контроллером ветви будем называть средство, обладающее функциями управления устройствами, подключенными к ветви, через ее интерфейс. К одной ветви может быть подключено несколько контроллеров, однако управление ветвью в конкретный момент времени производится всегда одним контроллером. Остальные контроллеры (если они есть) находятся в пассивном состоянии.
Структура контроллера ветви определяется требованиями согласования контроллера с интерфейсом ветви, которые реализуются на нескольких
уровнях: 1) физический, 2) логический (канальный), 3) управляющий, организует системное функционирование контроллера ветви.
Можно выделить два основных класса контроллеров: 1) контроллер
верхнего уровня, 2) контроллер промежуточного уровня. На рис.8.11 и 8.12
приведены обобщенные структурные схемы контроллеров обоих классов.
Рис.8.11. Обобщенная структура контроллера
верхнего уровня системной иерархии
Рис.8.12. Обобщенная структура контроллера
промежуточного уровня системной иерархии
Первый уровень
Средства физического согласования с интерфейсом ветви обеспечивают преобразование внутренних сигналов контроллера в сигналы интерфейса ветви, параметры которых определены спецификациями данного
интерфейса. Такие средства реализуются на стандартных магистральных
элементах и не зависят от типа используемого контроллера.
Второй уровень
Средства логического согласования с интерфейсом ветви обеспечивают прием и выдачу контроллером сигналов интерфейса в соответствии с
временными и логическими соотношениями, заданными в спецификациях
интерфейса. Эти сигналы могут быть условно разделены на несколько
групп в соответствии с интерфейсными функциями, выполняемыми средствами логического согласования:
1) сигналы согласования обменом данными;
2) сигналы запроса и управления прерываниями;
3) сигналы запроса и управления прямым доступом к памяти;
4) сигналы управления интерфейсом ветви;
5) сигналы управления запросами, арбитражем и захватом магистрали интерфейса ветви;
6) специальные сигналы (аварийные и т. п.).
Сигналы первой и четвертой групп присутствуют в любом контроллере ветви. Сигналы остальных групп могут присутствовать в различных сочетаниях в зависимости от типа интерфейса ветви и особенностей архитектуры системы, в которой работает контроллер, а также от класса контроллера.
Обобщенная структура контроллера ветви часто включает в свой состав буфер данных. Его использование целесообразно в случаях, когда
имеется существенная разница в быстродействии между верхним уровнем
контроллера и интерфейсом ветви. Включение буфера данных позволяет
разделить во времени обмен информацией и повысить эффективность работы контроллера.
Третий уровень
Управляющий уровень реализуется по-разному. В контроллерах верхнего уровня системной иерархии устройство управления (УУ) - это совокупность программных и аппаратных средств стандартной (или специально разработанной) ЭВМ. Управление этим уровнем осуществляется посредством совокупности сигналов, набор и синхронизация которых определяются спецификой применяемого вычислительного средства, и являются индивидуальными для ЭВМ каждого типа.
Для контроллера промежуточного уровня системной иерархии устройство управления выполняет функции согласования контроллера с интерфейсом верхнего уровня. Устройство управления состоит из средств, реализующих физическое и логическое согласование с интерфейсом верхнего
уровня. Их функциональное отличие от уровней 1-2 обусловлено тем, что
контроллер ветви не наделен функциями контроллера по отношению к интерфейсу верхнего уровня.
Адаптеры
Адаптеры (А) обеспечивают согласование функциональных (операционных) частей ИВК с интерфейсом ветви, в которую они входят. Адаптеры
различаются: 1) по типам интерфейсов, согласование с которыми они
обеспечивают; 2) по объему выполняемых интерфейсных функций; 3) по
конструктивному исполнению.
Кроме основных, адаптер может выполнять ряд вспомогательных
функций: 1) диагностика, 2) контроль передаваемой информации,
3) преобразование форматов данных.
Функциональная полнота адаптера определяется требованиями, исходящими из системных задач, решаемых с его помощью, а также характеристиками компонента ИВК, подключаемого через адаптер к интерфейсу
ветви. Такими характеристиками являются: 1) быстродействие, 2) объем
передаваемой или принимаемой информации, 3) приоритетность этой информации в системе и т. д.
Структура любого адаптера состоит из двух основных частей:
1) интерфейсной - непосредственно связанной с интерфейсом ветви,
2) приборной - связанной с входом (выходом) подключаемого устройства.
Эти части обмениваются внутренними (местными) сигналами. Конструктивно адаптеры выполняются: 1) в виде модулей, входящих в каркас
и связанных с магистральным интерфейсом; 2) в виде узлов подключаемых
устройств; 3) в виде сменных блоков, входящих в подключаемые устройства.
Важной является тенденция к расширению номенклатуры вспомогательных функций, выполняемых адаптерами. Такими функциями могут
быть: 1) контроль сбоев в работе интерфейса, 2) отсчет времени,
3) диагностика и самодиагностика с локализацией неисправности,
4) контроль и исправление ошибок в принимаемой (передаваемой) информации, 5) буферирование информации, 6) преобразование данных в заданные форматы.
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
Шина внутреннего интерфейса
Шина прямоСигналы управления
Информация го доступа
Ввод в ФУ
Вывод из ФУ
1) 2) 3) 4) 5) 6) 7) 8) 9) 10)
11)
12)
13)
ПНПuir
3 3 3 1 2 1 1 2 1
ПАЦПa
3 1
2 1 1
1
10 12-14
ПАЦПft
3 1 3
2 1 1 3 1
20
ПЦАПa
3 2
1 2 1 1
1 12-20
12-14
ПВУui
3 1 3
2 1 1
1
ПЦАПft
3
2 1 1
1
26
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
Функциональный
узел (ФУ)
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, байтпоследовательная 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 (515), 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.
5. Автоматика и телемеханика.
6. Датчики и системы.
7. Измерительная техника.
8. Приборы и системы. Управление, контроль, диагностика.
9. Приборы и техника эксперимента.
10.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
Ульяновск 2006
УЛЬЯНОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ
Кафедра "Измерительно-вычислительные комплексы"
Задание на курсовой проект
по дисциплине "Проектирование информационных систем"
студентке Ржевской Н. И. группы ИСТд-42
Тема: Горизонтальный астроориентатор. Азимутальный метод.
Технические условия:
1. Условия эксплуатации - тяжелый самолет гражданской авиации.
2. Информационная система должна быть выполнена на современной элементной базе со встроенной микропроцессорной вычислительной системой.
3. По своим техническим характеристикам (диапазон измерения, погрешность, быстродействие и т. д.) система должна быть не хуже, а по габаритам, массе, потребляемой энергии - лучше аналогичных существующих
систем.
Объем работы:
1. Введение, аналитический обзор литературы, технико-экономическое
обоснование выбора метода измерения, разработка ТЗ.
2. Обоснование выбора структуры информационной измерительной системы (ИИС), разработка программного обеспечения, анализ основных метрологических характеристик.
3. Разработка функциональной схемы информационной системы, блоксхемы алгоритма обработки информации, принципиальной схемы одного
из модулей ИИС (по согласованию с руководителем).
4. Заключение.
Дата выдачи задания
Зав. кафедрой
Срок выполнения
Мишин В. А.
Руководитель
Шивринский В. Н.
Работу приняла к исполнению
Ржевская Н. И.
Проект защищен с оценкой
Дата
РЕФЕРАТ
Автоматизированная поверка стрелочных электроизмерительных приборов: Курсовой проект /Сост. Е. В. Романова. - Ульяновск: УлГТУ, 2006. 30 с.
Поверка, прибор, интерфейс, датчик, емкость, калибратор.
В настоящем курсовом проекте разработаны алгоритмы подготовки,
проведения и обработки результатов автоматизированной поверки стрелочных приборов. Система поверки реализована в виде радиальноцепочного ИВК и включает в себя ЭВМ типа IBM PC/AT 286, частотомер
Ч3-54, вольтметр В7-34А, плату последовательного интерфейса RS232,
плату со сдвиговыми регистрами и схемой управления, оснащенную модулем интерфейса RS232, исследуемый прибор магнитоэлектрической системы с емкостным преобразователем угла поворота указателя в частоту
напряжения переменного тока, регулируемый источник напряжения постоянного тока.
СОДЕРЖАНИЕ
Стр.
Введение
1. Аналитический обзор
2. Выявление требований пользователя
3. Разработка функциональной спецификации
4. Разработка структурной схемы системы поверки приборов
5. Описание работы системы
6. Подбор элементов аппаратной части
7. Разработка программного обеспечения
8. Анализ метрологических характеристик
Заключение
Список литературы
ОСНОВНЫЕ СОКРАЩЕНИЯ
АЦП
ИВК
ОЗУ
ПЗУ
ПО
ПУ
ССП
ТЗ
ЦАП
ЦВМ
ЭВМ
- аналого-цифровой преобразователь
- измерительно-вычислительный комплекс
- оперативное запоминающее устройство
- постоянное запоминающее устройство
- программное обеспечение
- периферийное устройство
- система счисления пути
- техническое задание
- цифро-аналоговый преобразователь
- цифровая вычислительная машина
- электронная вычислительная машина
ВВЕДЕНИЕ
Навигационные устройства предназначены ля измерения параметров
движения объектов относительно Земли на всех этапах процесса управления. Чем труднее и сложнее условия навигации объекта, тем большей становится роль навигационных устройств.
Благодаря использованию новейших достижений в области науки и
техники стали применятся все более разнообразные и современные навигационные устройства, основанные на автономных и неавтономных методах измерения.
В настоящее время все большее внимание уделяется развитию автономных навигационных устройств, таких как курсовые системы,
устройств, измеряющих параметры поступательного и вращательного
движения объекта.
Особенно важным для пилота является знание местонахождения летательного аппарата, движущегося в воздушной среде. Поэтому, именно для
определения координат местонахождения самолета используются астроориентаторы.
АНАЛИТИЧЕСКИЙ ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ
Аналитический обзор литературы выполнен по реферативным журналам “Воздушный транспорт ”……… за 2006 год.
Патентные материалы, изученные по теме курсового проекта, приведены в таблице 1.
Таблица 1
Изученные патентные материалы
№
п\п
1
1
Страна
Класс
2
Англия
2
Германия
3
G01В11/2
G01C1/00
G01C25/0
G01C19/0
3
Италия
4
Россия
5
США
6
Франция
7
Япония
Источники
Номер патента
информации
4
5
6
2006 Реферативный
5493392
журнал “Воз262699
душный
9415050
транспорт”
5656778
427449
2104554
Год
247922
Патентные материалы, которые представляют интерес для темы курсового проекта, приведены в таблице 2.
Таблица 2
Патенты-аналоги и прототипы
Источник
Номер па- информатента
ции, год,
номер,
страница
1
2
3
4
5
1 Цифро- Blackmon
247922
РЖ ”Возвая сиJames B.,
душный
стема поStone
транлучения Kenneth M.
спорт”,
изобра- Франция
2006г,
жения
N 4 ,стр 3
для определения
относительного
местонахождения
и перемещения
ЛА в полете
№ Название
п\п изобретения
2
3
Автор,
страна
Краткое содержание
патента
6
Патентуется цифровая
система для определения местоположения и
перемещения ЛА относительно другого.
Такая система способна определять курс,
высоту, удаление и
перемещение летательного аппарата с
высокой точностью.
Тесты
N_001 Как будет вести себя подвижная часть гальванометра, если
после подачи сигнала разомкнуть внешнюю цепь гальванометра?
1) Движение будет иметь апериодический характер.
2) Движение будет иметь колебательный характер.
3) Наблюдается критический режим.
N_002
Каким образом достигается большая собственная частота
магнитоэлектрического вибратора?
1) Увеличением магнитной индукции в рабочем зазоре (1-1,2 Тл).
2) Уменьшением жесткости пружин.
3) Уменьшением момента инерции подвижной части.
N_003 Какой режим движения подвижной рамки магнитоэлектрического гальванометра, если степень успокоения больше единицы?
1) Периодический. 2) Критический. 3) Апериодический.
N_004 Какими конструктивными решениями достигается в магнитоэлектрическом вибраторе заданная степень успокоения?
1)  = P/(2*J*C) - подбором коэффициента электромагнитного
успокоения, жесткости пружин и момента инерции.
2) Р=Р1+Р2 - подбором коэффициента успокоения рамки вследствие
трения ее о воздух и коэффициента электромагнитного успокоения.
3) o =C/J - изменением жесткости пружины и момента инерции
подвижной части.
N_005
Какое назначение генератора пилообразного напряжения
электронного осциллографа?
1) Для получения линейной временной развертки.
2) Для увеличения чувствительности осциллографа.
3) Для увеличения входного сопротивления.
N_006 Укажите способы повышения чувствительности магнитоэлектрического гальванометра к току.
1) Чувствительность увеличивается при увеличении жесткости
пружин и при уменьшении индукции, активной площади рамки и числа
витков.
2) Чувствительность увеличивается при увеличении жесткости
пружин, индукции, активной площади рамки и числа витков.
3) Чувствительность увеличивается при увеличении магнитной
индукции, активной площади рамки и числа витков, а также при уменьшении жесткости пружин.
N_007 Что называется: а) чувствительностью, б) порогом чувствительности прибора?
1) Предел отношения приращения выходной величины к приращения входной величины, когда последнее стремится к нулю.
2) Разность между измеренным и действительным значениями
величины.
3) То минимальное приращение измеряемой величины Х, при
котором начинает изменяться выходной сигнал прибора.
N_008 От чего зависит чувствительность электронного осциллографа?
1) Чувствительность электронного осциллографа зависит от частоты генератора пилообразного напряжения.
2) Чувствительность зависит от напряжения смещения на
экранной сетке.
3) Чувствительность электронного осциллографа прямо пропорциональна длине пластин и расстоянию от пластин до экрана, и обратно пропорциональна расстоянию между пластинами и ускоряющему
напряжению.
N_009 Какие приборы называются приборами стабилизированного
контроля?
1) Определяющие отклонение от заданной функции времени.
2) Определяющие отклонение от заранее неизвестной, но существующей функции.
3) Определяющие отклонение от постоянной величины.
N_010 Как влияет внешнее сопротивление на режим движения рамки
магнитоэлектрического гальванометра?
1) Внешнее сопротивление не влияет на режим движения рамки гальванометра.
2) В зависимости от сопротивления, на которое замкнут гальванометр, могут быть три режима движения рамки: периодический, апериодический, критический.
3) С увеличением внешнего сопротивления увеличивается чувствительность гальванометра.
N_011 Какие приборы называются приборами следящего контроля?
1) Определяющие значение искомой величины расчетным путем
на основании прямых измерений других величин.
2) Определяющие отклонение от заданной функции времени.
3) Определяющие отклонение от заранее неизвестной, но существующей функции.
N_012 Какое назначение мерного элемента элементарной базовой
системы измерения?
1) Хранитель эталона.
2) Задатчик нормы измеряемой величины.
3) Сравнение воздействия объекта с эталоном.
N_013 Какое назначение задающего элемента элементарной базовой
системы контроля?
1) Задатчик нормы измеряемой величины.
2) Сравнение воздействия объекта с эталоном.
3) Хранитель эталона.
N_014 Какое назначение чувствительного элемента элементарной базовой системы измерения?
1) Задатчик нормы измеряемой величины.
2) Хранитель эталона.
3) Восприятие воздействия объекта.
N_015 Какое назначение сравнивающего элемента элементарной базовой системы измерения?
1) Хранитель эталона.
2) Задатчик нормы измеряемой величины.
3) Сравнение воздействия объекта с эталоном.
N_016 Какие приборы называются приборами программного контроля?
1) Определяющие отклонение от заданной функции времени.
2) Определяющие отклонение от заранее неизвестной, но существующей функции.
3) Определяющие значение искомой величины расчетным путем
на основании прямых измерений других величин.
N_017 Как определяется класс точности прибора?
1) По относительной погрешности. 2) По приведенной погрешности.
3) По порогу чувствительности. 4) По абсолютной погрешности.
N_018
ния.
Укажите схему элементарной базовой системы регулирова-
N_019 Укажите схему элементарной базовой системы контроля
(рис.N_018).
N_020 Укажите схему элементарной базовой системы измерения
(рис.N_018).
N_021 Какой прибор точнее: непосредственной оценки или нулевой
реализации?
1) Непосредственной оценки. 2) Нулевой реализации.
3) Прибор дифференциальной реализации, как наиболее точный из всех приборов непосредственной оценки.
N_022 Какие измерения называются косвенными?
1) Когда производится измерение отклонения от заданной величины.
2) Когда производится измерение переходного процесса.
3) Когда значение искомой величины определяется расчетным
путем на основании прямых измерений других величин, связанных с измеряемой известной зависимостью.
N_023 Какие измерения называются прямыми?
1) Когда процесс измерения производится над самой измеряемой величиной.
2) Когда значение искомой величины определяется расчетным
путем.
3) Когда производится измерение отклонения от заданной величины.
N_024 Какие приборы называются квазистатическими?
1) Измеряющие переменные, но средние по значению величины.
2) Измеряющие флуктуации.
3) Определяющие отклонение от заданной функции времени.
N_025 Какой прибор называется прибором дифференциальной реализации?
1) Прибор метода сравнения, когда производится полное сравнение двух величин.
2) Прибор метода сравнения, когда производится неполное уравновешивание и небольшая разность между уравновешиваемыми величинами оценивается прибором непосредственной оценки.
3) Прибор метода сравнения, когда сопоставляются равномерно
нанесенные метки, и по их совпадению судят о значении измеряемой величины.
N_026 Какие приборы называются динамическими?
1) Приборы, предназначенные для измерения пульсаций (флуктуаций) и переходного процесса.
2) Определяющие отклонение от заданной функции времени.
3) Определяющие отклонение от постоянной величины.
N_027 Прибор какой реализации представлен на рисунке?
1) Дифференциальной. 2) Нулевой. 3) Прибор непосредственной оценки.
N_028 Какой вид измерений называется методом непосредственной
оценки?
1) Когда процесс измерения производится над самой измеряемой
величиной.
2) Когда значение искомой величины определяется расчетным путем на основании прямых измерений других величин.
3) Когда значение измеряемой величины определяется непосредственно по отсчетному устройству одного или нескольких приборов, заранее проградуированных в единицах измеряемой величины.
N_029 Какие измерения называются совокупными?
1) Когда производится измерение отклонения от заданной величины.
2) Когда производится измерение переходного процесса.
3) Когда значения нескольких искомых величин определяются на
основе прямых или косвенных измерений других величин путем решения
системы соответствующих уравнений.
N_030 Какой прибор называется прибором совпадения?
1) В котором равномерно нанесенные отметки или периодически
следующие сигналы, соответствующие измеряемой величине, сопоставляются с подобными же отметками или сигналами, относящимися к известной величине, и по их совпадению судят о значении измеряемой величины.
2) Когда производится полное уравновешивание двух величин.
3) Когда производится неполное уравновешивание двух величин и
небольшая разность между ними оценивается прибором непосредственной
оценки.
N_031 Какие приборы называются статическими?
1) Измеряющие постоянные (во времени) величины.
2) Измеряющие флуктуации.
3) Определяющие отклонение от заданной функции времени.
N_032 Укажите выражение для абсолютной погрешности.
1)  = (/Xд)*100; 2)  = (X-Xд); 3)  = lim(S/); 4)  = Su-Si.
0
N_033 Укажите выражение для относительной погрешности.
1) =(/Xд)*100; 2) =(/Xmax)*100; 3) =(X-Xд); 4) =lim(I/R).
R 0
N_034 Укажите схему элементарной базовой системы управления.
N_035 Укажите выражение для относительной приведенной погрешности.
1) =(X-Xд); 2) =(/Xд)*100; 3) =(/Xmax)*100; 4) =lim(I/R).
R 0
N_036 Что называется основной погрешностью прибора?
1) Погрешность при нормальных условиях применения средств
измерения.
2) Погрешности, возникающие при отклонении условий применения средств измерения от нормальных.
3) Минимальное приращение измеряемой величины, при котором начинает изменяться выходной сигнал прибора.
N_037 Что называется дополнительной погрешностью прибора?
1) Погрешность при нормальных условиях применения средств
измерения.
2) Погрешности, возникающие при отклонении условий применения средств измерения от нормальных.
3) Минимальное приращение измеряемой величины, при котором начинает изменяться выходной сигнал прибора.
N_038 Что называется случайной погрешностью прибора?
1) Погрешности, имеющие рассеяние по значению и по знаку
при многократном контроле в одних и тех же условиях.
2) Погрешности, имеющие определенное значение в каждой
точке характеристики прибора.
3) Погрешности, возникающие вследствие запаздывания показаний прибора.
N_039 Что называется систематической погрешностью прибора?
1) Погрешности, имеющие определенное значение в каждой
точке характеристики прибора и повторяющиеся при его многократном
контроле в одних и тех же условиях.
2) Погрешности, возникающие из-за запаздывания показаний
прибора.
3) Погрешности, имеющие рассеяние по значению и по знаку
при многократном контроле.
N_040 Что называется чувствительностью прибора?
1) Предел отношения приращения выходной величины к приращению входной величины, когда последнее стремится к нулю.
2) Это отклонение, возникающее при условиях применения
средств измерения отличных от нормальных.
3) Это то минимальное приращение измеряемой величины Х, при
котором начинает изменяться выходной сигнал прибора.
N_041 Что называется статической погрешностью прибора?
1) Погрешности, возникающие из-за запаздывания показаний
прибора.
2) Погрешности, имеющие определенное значение в каждой
точке характеристики прибора и повторяющиеся при его многократном
контроле в одних и тех же условиях.
3) Погрешности, не зависящие от времени.
N_042 Укажите выражение для чувствительности магнитоэлектрического гальванометра к току.
1) Si = C/(B*S*W); 2) Si = B*S*W/(C*Rкр); 3) Si = B*S*W/C.
N_043 Укажите выражение для чувствительности магнитоэлектрического гальванометра к напряжению.
1) Su = Si/Rр; 2) Su = B*S*W/C; 3) Su = C/(B*S*W).
N_044 Укажите уравнение шкалы прибора магнитоэлектрической
системы.
1)  = B*S*W*I/C; 2)  = (0.5/C)*I2*(дL/д);
3)  = (1/C)*I1*I2*(дM12/д).
N_045 Как создается вращающий момент в приборе магнитоэлектрической системы?
1) В результате взаимодействия поля постоянного магнита и проводника с током, выполняемого обычно в виде катушки.
2) В результате взаимодействия магнитных полей подвижной и
неподвижной катушек с токами.
3) В результате взаимодействия магнитного поля катушки с одним
или несколькими ферродинамическими сердечниками.
N_046 Почему приборы магнитоэлектрической системы нельзя применять в цепях переменного тока без соответствующих преобразователей?
1) Так как из-за нагрева возникают большие погрешности измерения.
2) Так как при перемене направления тока в обмотке рамки меняется и направление отклонения подвижной части и рамка, из-за своей
инерционности, не успевает следовать за изменением тока и остается на
месте.
3) Так как при подключении переменного тока могут перегореть токоподводящие пружины, создающие противодействующий момент.
N_047 Укажите выражения для: а) абсолютной, б) относительной,
в) относительной приведенной погрешности.
1) (/Xmax)*100 [%]; 2) Xизм - Xдейст; 3) (/Xдейст.)*100 [%].
N_048 Что называется: а) основной, б) систематической, в) случайной, г) статической погрешностью прибора?
1) Погрешности, имеющие рассеяние по значению и по знаку при
многократном контроле в одних и тех же условиях.
2) Погрешность при нормальных условиях применения средств
измерения.
3) Погрешность, не зависящая от времени.
4) Погрешности, возникающие при отклонении условий применения средств измерения от нормальных.
5) Погрешности, имеющие определенное значение в каждой точке характеристики прибора и повторяющиеся при его многократном контроле в одних и тех же условиях.
N_049 Какой прибор называется : а) прибором нулевой реализации,
б) прибором дифференциальной реализации, в) прибором совпадения?
1) Когда производится полное уравновешивание двух величин (в
пределах чувствительности указателя равновесия).
2) Когда равномерно нанесенные отметки или периодически следующие сигналы, соответствующие измеряемой величине, сопоставляются
с подобными же отметками или сигналами, относящимися к известной величине.
3) Когда производится неполное уравновешивание и небольшая
разность между уравновешиваемыми величинами оценивается прибором
непосредственной оценки.
Задачи для программированного контроля
N_050 При поверке после ремонта вольтметра класса 1.5 с конечным
значением шкалы 5 В в точках шкалы 1, 2, 3, 4, 5 В получены соответственно следующие показания образцового прибора: 0.95, 2.07, 3.045,
4.075, 4.95 В. Сохранился ли класс точности прибора?
N_051 Магнитоэлектрический амперметр со шкалой 50 мА имеет абсолютную наибольшую погрешность 1 мА. Определите класс точности
прибора и относительную погрешность на отметке 10 мА.
N_052
Определите относительную и приведенную погрешности
миллиамперметра с пределом измерения 150 мА и числом делений 300, если при его поверке на делении шкалы 200 компенсатор показал падение
напряжения на образцовом резисторе 10 Ом 0.995 В.
N_053 Показания амперметра 20 А, его верхний предел 50 А, показания образцового прибора 20.5 А. Определите относительную и приведенную погрешности амперметра. Какой класс точности прибора?
N_054 Амперметр на пределе 1А был поверен в пяти точках: 0.2, 0.4,
0.6, 0.8, 1.0 А. При этом были получены следующие показания образцового
прибора: 0.205, 0.383, 0.590, 0.815, 1.010 А. Определите абсолютные и относительные погрешности в каждой точке, а также класс точности прибора.
N_055 Амперметр со шкалой 20 А имеет наибольшую абсолютную
погрешность 0.2 А. Определите класс точности прибора и относительную
погрешность на делениях 2 и 10 А.
N_056 Определите класс точности и относительную погрешность
амперметра с пределом 10 А на отметке 5 А , если max = 0,1 А.
N_057 Определите, в каком случае относительная погрешность измерения тока 10 мА меньше, если для измерения использованы два прибора, имеющих соответственно шкалы на 15 мА (класс точности прибора 0.5)
и 100 мА (класс точности прибора 0.1).
N_058 Определите наибольшую возможную разность показаний двух
вольтметров с пределами измерения 150 В, если класс точности одного
вольтметра 1.5, а второго 2.5. Действительное значение измеряемого
напряжения 100 В.
N_059 Определите класс точности магнитоэлектрического миллиамперметра с конечным значением шкалы 0.5 мА для измерения тока 0.1 - 0.5
мА так, чтобы относительная погрешность измерения тока не превышала
1% .
N_060 Определите наибольшую разность показаний двух магнитоэлектрических миллиамперметров на пределе 100 мА класса точности 1.0 и
0.5 при измерении тока 50 мА.
N_061 Измерения выполняются миллиамперметром класса точности
0.5 с конечным значением шкалы 10 мА. Шкала имеет 100 равномерных
делений и отсчет по ней производится с точностью до 0.5 деления. Опре-
делите дополнительную абсолютную погрешность, обусловленную неточностью отсчета по шкале.
N_062 Относительная погрешность измерения напряжения цифровым вольтметром определяется выражением
 =  (0.1 + 0.01*Uk/Ux) [%],
где Uк - установленный предел измерения, Uх - показания прибора.
Прибор показал 5.72 В, предел измерения 10 В. Определите относительную и абсолютную погрешности измерения.
N_063 Определите относительные погрешности магнитоэлектрического вольтметра класса 1.0 со шкалой 150 В для отметок 50 и 100 В. Результат представить в % .
N_064 Имеются два вольтметра : с пределом измерения 300 В класса
0.5 и с пределом измерения 30 В класса 1.5.
Какой вольтметр и почему следует взять для наиболее точного измерения напряжения 15 В ?
N_065 Имеются два миллиамперметра класса точности 2.5 с пределом измерения 5 мА: один с внутренним сопротивлением 50 Ом, второй 25 Ом. Определите общие относительные погрешности измерения тока 4.6
мА в схеме, состоящей из источника Е = 2 В, Rист = 5 Ом, R = 400 Ом. Какой прибор обеспечит более высокую точность заданного измерения ?
N_066 Имеются два миллиамперметра: один - класса точности 1.0 с
пределом измерения 20 мА и второй - класса точности 2.5 с пределом измерения 5 мА. Определите предельные относительные основные погрешности приборов для измерения тока 4 мА. Какой прибор обеспечит более
высокую точность заданного измерения ?
N_067 Сопротивление резистора измерялось методом амперметра и
вольтметра, при этом использовались следующие приборы: вольтметр на
10 В класса 1.5 и миллиамперметр на 50 мА класса 1.0. Показания приборов были следующие: ток 25 мА, напряжение 8 В.
Определите значение измеряемого сопротивления и максимальную
относительную погрешность измерения. Сопротивления приборов не учитывать.
N_068 Определите относительную погрешность измерения сопротивления резистора методом амперметра и вольтметра, если показания
вольтметра 10 В, амперметра 100 мА. Предел измерения вольтметра 15 В,
класс точности 1.0. Предел измерения амперметра 150 мА, класс 1.5.
Примеры решения контрольных задач
Магнитоэлектрический амперметр со шкалой 50 мА имеет абсолютную наибольшую погрешность 1 мА. Определите класс точности прибора
и относительную погрешность на отметке 10 мА.
Дано:
Iпр = 50 мА
max = 1 мА
I = 10 мА
Определить: , Кл
Решение
 = (/I)∙100 [%];  = max ;
 = (/10)∙100 = 10% ;
max = (max/Iпр)∙100 [%];
max = (1/50)∙100 = 2%.
Класс точности прибора определяется по максимальному значению
приведенной погрешности и выбирается из ряда.
Ответ:  = 10% ; Кл = 2.
Определите относительную и приведенную погрешности миллиамперметра с пределом измерения 150 мА и числом делений 300, если при
его поверке на делении шкалы 200 компенсатор показал падение напряжения на образцовом резисторе 10 Ом 0.995 В.
Дано:
Iпр = 150 мА
n = 300 дел
 = 200 дел
R0 = 10 Ом
U0 = 0.995 В
Определить: , 
Решение
 = (/I)∙100 [%];
 = (/Iпр)∙100 [%];
= I - Iд;
I = Ц∙; Ц = Iпр/n;
I = (150/300)∙200 = 100 мА;
Iд = U0/R0 = 0.995/10 = 0.0995 A = 99.5 мА;
= 100 – 99.5 = 0.5 мА;
 = (0.5/100)∙100 = 0.5%;
 = (0.5/150)∙100 ≈ 0.33%.
Ответ:  = 0.5% ;  ≈ 0.33%.
Экзаменационные вопросы
1. Понятие «измерение». Структурные схемы средств измерений.
2. Виды измерений. Виды погрешностей измерений и источники их появления.
3. Погрешности косвенных измерений. Систематические погрешности.
Случайные погрешности.
4. Классификация средств измерений.
5. Статические характеристики средств измерений.
6. Динамические характеристики средств измерений.
7. Погрешности средств измерений. Нормирование метрологических характеристик.
8. Автоматизированные информационные системы. Государственная система приборов и агрегатные комплексы.
9. Основные структуры автоматизированных измерительных систем.
10. Основные этапы проектирования приборов и ИИС.
11. Цикл проектирования системы. Язык проектирования.
12. Требования пользователей и функциональная спецификация.
13. Выбор чувствительного элемента.
14. Выбор метода измерения и формирование структурной схемы.
15. Методы расчета статических характеристик.
16. Методы расчета динамических характеристик.
17. Оптимизация параметров приборов и систем.
18. Определение погрешностей измерительного звена по его расчетной характеристике.
19. Определение погрешностей прибора по структурной схеме.
20. Расчет допусков на погрешность прибора.
21. Структуры ИВК.
22. Характеристики ИВК.
23. Принципы формирования комплексов получения информации.
24.Общая характеристика интерфейсов. Классификация интерфейсов.
25. Системные интерфейсы.
26. Интерфейсы магистрально-модульных мультипроцессорных систем.
27. Интерфейсы периферийного оборудования. Интерфейс ИРПР.
28. Интерфейсы периферийного оборудования. Интерфейс ИРПС.
29. Интерфейсы программируемых приборов. Общее построение интерфейса Hewlett-Packard.
30. Интерфейсы программируемых приборов. Интерфейсы системы КАМАК.
31. Структуры средств системного обмена.
32. Субкомплексы. Групповые нормирующие преобразователи.
33. Субкомплексы с программируемой структурой (СПС).
34. Структуры измерительной части СПС. Реализация структур субкомплексов.
35. Разработать программу для навигационного автомата условной, полярной, географической системы координат. Интегрирование выполнить
методом прямоугольников, методом трапеций.
36. Разработать программу для измерителя барометрической высоты, истинной воздушной скорости.
37. Разработать программу для определения высоты, азимута светила.
38. Разработать программу для вывода дискретных сигналов системы
«Курсор» по случайному закону, предусмотрев в программе временную задержку и останов по нажатию клавиши дискретного ввода «0».
39. Разработать программу автоматизированной поверки магнитоэлектрического вольтметра.
40. Разработать программу управления напряжением в системе «Курсор»
по следующему закону: U = Umsin(t + o); где  = 2f; Um = 9 В;
o =/2; f = 0.02 Гц; в программе предусмотреть останов по нажатию
клавиши «Пробел».
41. Разработать программу для задания параметров генератора Г5-75 через
приборный интерфейс IEEE-488.
42. Разработать программу для вывода файла на экран дисплея через
ИРПР.
43. Разработать программу для обмена информацией между машинами через RS-232.
44. Разработать программу УМК по следующему алгоритму: установить
сигнал на выходе ЦАП1 0 В; установить сигнал на выходе ЦАП2 5 В;
установить сигнал на выходе ЦАП2 0 В; изменяя код от 00 до 0F, осуществить вывод напряжения по каналу ЦАП1; безусловный переход на
начало программы.
45. Разработать программу системы охранной сигнализации для учебной
ЭВМ «Курсор» (любой другой ЭВМ или микроконтроллера МПК-1).
ОГ Л А В Л Е Н И Е
Предисловие
Рекомендуемая литература
Учебно-методическая карта дисциплины
Примерный перечень лабораторных работ
2
3
5
6
Конспект лекций
Глава 1. Основные термины и определения
7
Введение ( 7 ). Предмет курса, понятие «измерение» ( 8 ). Структурные схемы средств измерений ( 9 ). Виды измерений ( 11 ). Виды
погрешностей измерений и источники их появления ( 11 ). Погрешности косвенных измерений ( 12 ). Систематические погрешности
( 13 ). Случайные погрешности ( 13 ).
Глава 2. Характеристики средств измерений
13
Классификация средств измерений ( 13 ). Статические характеристики средств измерений ( 16 ). Динамические характеристики
средств измерений ( 18 ). Погрешности средств измерений ( 18 ).
Нормирование метрологических характеристик ( 20 ). Автоматизированные информационные системы ( 22 ). Государственная система приборов и агрегатные комплексы. Основные блоки измерительных систем ( 22 ). Основные структуры измерительных информационных систем ( 24 ).
Глава 3. Основные этапы проектирования приборов и ИИС
26
Техническое задание ( 26 ). Техническое предложение ( 26 ). Эскизный проект ( 27 ). Технический проект ( 27 ). Рабочая документация
( 27 ). Цикл проектирования системы ( 28 ). Язык проектирования
( 29 ). Требования пользователей и функциональная спецификация
( 31 ).
Глава 4. Основы проектирования приборов
33
Выбор чувствительного элемента ( 34 ). Выбор метода измерения и
формирование структурной схемы ( 37 ). Принципы конструирования приборов ( 41 ).
Глава 5. Расчет характеристик приборов и систем
43.
Общие понятия ( 43 ). Методы расчета статических характеристик
( 41 ). Методы расчета динамических характеристик ( 45 ). Оптимизация параметров приборов и систем ( 49 ).
Глава 6. Расчет погрешностей приборов и систем
50
Определение погрешностей измерительного звена по его расчетной
характеристике ( 53 ). Определение погрешностей прибора по
структурной схеме ( 55 ). Расчет допусков на погрешность прибора
( 58 ).
Глава 7. Общая характеристика измерительно-вычислительных
комплексов
61
Структуры ИВК ( 62 ). Характеристики ИВК ( 69 ). Принципы фор-
мирования комплексов получения информации ( 71 ). Классификация средств обмена непрерывными сигналами ( 72 ).
Глава 8. Средства системного обмена
76
Общая характеристика интерфейсов ( 76 ). Классификация интерфейсов ( 76 ). Системные интерфейсы ( 77 ). Системная магистраль
“I/O Channel” IBM PC/AT ( 80 ). Интерфейсы магистральномодульных мультипроцессорных систем ( 82 ). Интерфейсы периферийного оборудования ( 83 ). Интерфейс ИРПР ( 83 ). Интерфейс
ИРПС ( 87 ). Интерфейсы программируемых приборов. Общее построение интерфейса Hewlett-Packard ( 89 ). Интерфейсы системы
КАМАК ( 94 ). Структуры средств системного обмена ( 98 ).
Глава 9. Субкомплексы
101
Групповые нормирующие преобразователи ( 102 ). Субкомплексы с
программируемой структурой ( 105 ). Реализация структур субкомплексов ( 111 ).
Курсовое проектирование
Содержание и объем курсового проекта
Пример оформления курсового проекта
113
116
Тесты
Задачи для программированного контроля
Примеры решения контрольных задач
123
131
133
Экзаменационные вопросы
134
Учебное издание
ШИВРИНСКИЙ Вячеслав Николаевич
ПРОЕКТИРОВАНИЕ ИНФОРМАЦИОННЫХ СИСТЕМ
Учебно-методический комплекс