Общие сведения. При выполнении технологических измерений в ряде случаев воз­никает необходимость проведения различных вычислительных операций

ГЛАВА 14

ПРИМЕНЕНИЕ ЦИФРОВОЙ ВЫЧИСЛИТЕЛЬНОЙ ТЕХНИКИ В СРЕДСТВАХ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ИЗМЕРЕНИЙ

Общие сведения

При выполнении технологических измерений в ряде случаев воз­никает необходимость проведения различных вычислительных операций, связанных с определением значений измеряемых величин и погрешностей измерений. Кроме того, для рациональной организа­ции процесса автоматического контроля технологических парамет­ров требуется выполнение различных логических операций.

Эти задачи решаются с помощью средств вычислительной тех­ники— вычислительных устройств.

Вычислительные устройства принято подразделять на устройст­ва непрерывного (аналоговые) и дискретного (цифровые) действия. В аналоговых вычислительных устройствах значения величин, над которыми осуществляются математические операции, изменяют­ся непрерывно. Они изображаются в определенном масштабе в виде других физических величин, например напряжения, тока, давления сжатого воздуха и т. д. Результат выполнения математических опе­раций в аналоговых устройствах получается сразу после ввода ис­ходных данных.

Аналоговые вычислительные устройства отличаются простотой и сравнительно небольшой стоимостью. Их недостаток — ограничен­ная точность вычислений (погрешность не менее ±0,1—0,5%).

В цифровых вычислительных устройствах значения величин, над которыми осуществляются математические операции, представля­ются в виде набора цифр. Каждая цифра, соответствующая опреде­ленному разряду числа, устанавливается на отдельном цифровом элементе: триггере, счетном колесе и др.

Все вычислительные операции в цифровых вычислительных уст­ройствах сводятся к арифметическому сложению и выполняются в течение некоторого промежутка времени.

В процессе выполнения математической операции значения ис­ходных данных не изменяются. Новые выходные данные вводятся в цифровое вычислительное устройство лишь спустя некоторое вре­мя, необходимое для выполнения вычислений при прежних данных. Таким образом, цифровые вычислительные устройства работают прерывно во времени (дискретно).

Цифровые вычислительные устройства отличаются практически неограниченной точностью, большими логическими возможностями и значительным быстродействием.

Аналоговые вычислительные устройства уже давно и широко применяются в средствах технологических измерений для обработ­ки сигналов измерительной информации. Однако из-за ограничен­ной точности их применение оказывается целесообразным только при реализации относительно простых алгоритмов.

В настоящее время обработка информации, в том числе и изме­рительной, все больше базируется на цифровых вычислительных устройствах.

Можно выделить два вида цифровых вычислительных устройств, включаемых в средства измерений: устройства с жесткой програм­мой обработки информации и устройства с изменяемой программой обработки информации.

Первые из названных устройств имеют жесткую структуру, кото­рая определяется принятой программой обработки информации, составленной в соответствии с реализуемыми функциями. Любое изменение реализуемой функции требует изменения структуры вы­числительного устройства. Эти цифровые вычислительные устрой­ства, как и аналоговые, имеют узкую специализацию.

От этого недостатка свободны цифровые вычислительные уст­ройства с изменяемой программой обработки информации, позво­ляющие решать любые вычислительные задачи. Эти устройства представляют собой цифровые электронные вычислительные маши­ны—ЭВМ, миниЭВМ, микроЭВМ, микропроцессоры (МП).

В измерительных приборах, преобразователях и системах, ис­пользуемых для технологических измерений, находят применение микроЭВМ и микропроцессоры. Технической базой этих устройств являются большие и сверхбольшие интегральные схемы (БИС и СБИС), содержащие 103—106 элементов на одном кристалле.

Наиболее существенным достижением микроэлектроники и вы­числительной техники в последнее время является создание на ос­нове БИС микропроцессоров.

Первая микропроцессорная БИС была создана за рубежом в 1971 г. и сразу привлекла к себе внимание специалистов-разработ­чиков средств вычислительной техники и цифровой автоматики перспективами широкого применения, обеспечиваемыми возможно­стью ее программного управления. Появление микропроцессоров расценивается в настоящее время экспертами в области электрони­ки и вычислительной техники как революционное явление, соизме­римое по своей значимости с появлением в 50-х годах первых полу­проводниковых элементов и устройств.

Микропроцессор — функционально законченное, управляемое хранимой в памяти программой (большей частью малоразрядное) устройство обработки цифровой информации, выполненное в виде одной или нескольких БИС или СБИС. Это устройство называют микропроцессором, так как оно по своим обычным функциям и структуре напоминает упрощенный вариант процессора обычных

ЭВМ. Миниатюрность, малая масса и малое потребление энергии открыли возможность включения микропроцессора непосредствен­но в электронную схему измерительных устройств, средств автоматического регулирования и управления. Микропроцессор намного дешевле, более экономичен в работе и надежен, чем процессоры, построенные на интегральных схемах малого и среднего уровня интеграции. В силу того что основой микропроцессора является БИС или СБИС с программируемой логикой, он заменил собой многие типы интегральных схем с жесткой, фиксированной логи­кой. Изменением программы микропроцессора достигается возмож­ность решения с его помощью множества разнообразных задач.

Микропроцессор используется обычно в составе микропроцессор­ного комплекта (набора), представляющего собой совокупность специально разработанных отдельных микропроцессорных и дру­гих интегральных схем, которые совместимы по своим конструктивно-технологическим данным и могут быть собраны в единое целое. В состав комплетка входят интегральные схемы: микропроцессора, запоминающих устройств, ввода—вывода информации, микропро­граммного управления и др.

Микропроцессорные комплекты предназначены для построения цифровых управляющих вычислительных устройств с широкими функциональными возможностями и единым математическим обес­печением, таких, как микропроцессорные системы, микроЭВМ, мик­роконтроллеры и др.

Микропроцессорная система — это собранная в единое целое совокупность взаимодействующих интегральных схем микропроцес­сорного комплекта, организованная в работающую систему, т. е. вычислительная или управляющая система с микропроцессором в качестве узла обработки информации.

МикроЭВМ — это конструктивно законченное вычислительное устройство, построенное на основе микропроцессорного комплекта интегральных схем в отдельном корпусе и имеющее источник питания, пульт управления, узлы ввода—вывода информации, что по­зволяет использовать его в качестве автономного независимо рабо­тающего устройства со своим программным обеспечением. МикроЭВМ строят по структуре более простой, чем обычные ЭВМ. Основу этой весьма гибкой структуры, называемой магистрально-модульной (рис. 14.1), составляет общая магистраль (общая шина), к которой подсоединяются в требуемой номенклатуре и количестве все устройства машины, выполненные в виде конструктивно закон­ченных модулей, связанных друг с другом с помощью интерфейсов.

Интерфейс (от англ. inteface — взаимосвязь) представляет со­бой совокупность линий и шин сигналов, электронных схем и алгоритмов, предназначенную для осуществления обмена информацией между устройствами цифровой вычислительной техники.

Рис. 14.1. Структурная схема микроЭВМ

Микроконтроллер (контроллер) — устройство логического уп­равления, выполненное на основе микропроцессоров или микроЭВМ.

§ 14,2. Ввод измерительной информации о технологических параметрах в устройства цифровой вычислительной техники

Как отмечалось, современные средства измерений технологических параметров имеют выходные сигналы в виде постоянного тока, час­тоты и давления, т. е. являются аналоговыми. Для ввода этих сиг­налов в средства цифровой вычислительной техники необходимо использовать соответствующие согласующие устройства (или устройст­ва сопряжения). Общая задача, решаемая при этом, состоит в пре­образовании сигналов первичных измерительных преобразователей ПИП в электрический кодовый сигнал, воспринимаемый средства­ми вычислительной техники. Наиболее типичные структурные схемы устройств, используемых для согласования работы средств измере­ний технологических параметров и средств вычислительной техники, показаны на рис. 14.2.

Преобразование электрического сигнала постоянного тока I в кодовый осуществляется с помощью аналого-цифрового преобразо­вателя АЦП (рис. 14.2, а, б), а в сигнал частоты f — с помощью частотно-цифрового преобразователя ЧЦП (рис. 14.2, в, г). Если названные преобразователи (см. приложение 1) используются для преобразования сигналов нескольких первичных измерительных преобразователей, например ПИП₁—ПИП_n, то сигналы поочеред­но подводятся к АЦП (рис. 14.2, б) через электрический коммута­тор ЭК. Для преобразования сигналов давления Р сжатого возду­ха, вырабатываемых пневматическими ПИП, обычно используется предварительное преобразование давления в электрический сигнал постоянного тока (рис. 14.2, д, е, ж) с помощью пневмоэлектрического преобразователя ПЭП. При этом если один ПЭП и один АЦП применяются для преобразования сигналов нескольких ПИП, то поочередное подключение ПИП к ПЭП осуществляется с помощью пневматического коммутатора ЯЛ" (рис. 14.2, е). Если же для пре­образования сигнала каждого пневматического ПИП используется индивидуальный ПЭП, то с помощью ЭК (рис. 14.2, ж) поочередно осуществляется подключение ПЭП₁—ПЭП_n к АЦП.

Ввод кодового сигнала в средства вычислительной техники осу­ществляется с помощью так называемых приборных интерфейсов.

Интерфейс для средств измерений (приборный интерфейс) пред­назначен для обмена информацией между средствами измерений, имеющими выходной сигнал в виде соответствующего кода, и сред­ствами цифровой вычислительной техники.

	ПИП		АЦП

a) I Код

ПИП1

б) I

АЦП

ЭК

Код

ПИПn

I

ПИП

ЧЦП

в) f Код

ПИП1

г) f

ЧЦП

ЭК

Код

ПИПn

f

АЦП

ПЭП

ПИП

д) Р I Код

ПИП

е) Р

АЦП

ПЭП

ПК

I Код

Р

	ПИП		ПЭП1

АЦП

ЭК

ж) Р I

Код

ПЭПn

ПИП

Р I

Рис. 14.2. Структурная схема устройств согласования

В последнее время в измерительных системах,, включающих средства цифровой вычислительной техники, применяются прибор­ные интерфейсы магистрального тина (с общей магистралью). К таким интерфейсам относится приборный интерфейс МЭК (IEC —International Electrotechnical Commission), рекомендованный Международной электротехнической комиссией, и интерфейс КАМАК (САМАС —Computer Automated Measurement and Cont­rol).

На рис. 14.3 показана схема подключения нескольких измери­тельных и вычислительных устройств к общей магистрали. Все подключаемые к этой магистрали устройства называют в данном случае приборами. Интерфейс состоит из общей магистрали для скоростной передачи приборных и интерфейсных сообщений, интер­фейсной части средств измерений и других подключаемых уст­ройств (интерфейсы А, Б, В на рис. 14.3), а также устройства управления (контроллера). Подключенный к магистрали прибор может находиться в следующих состояниях: резерв, функциониро­вание в качестве источника информации (ИИ) и функционирование в качестве приемника информации (ПИ). Таким образом предус­матривается возможность управления работой приборов по про­грамме.

Интерфейс Б

ИИ

Шина данных

Шина

синхронизирующей

информации

Шина управления

Магистраль

Рис. 14.3. Схема подключения нескольких измерительных и вычисли­тельных устройств к общей магистрали

Интерфейсные части программно-управляемых приборов выпол­няют в двух вариантах:

в виде схем, реализованных и конструктивно оформленных внутри прибора как его составная часть, с установкой стандартно­го разъема на задней панели прибора (этот вариант применяется в новых приборах, выпускаемых в соответствии с действующими международными стандартами);

в виде отдельно выполненных модулей, подключаемых к серий­но выпускаемым или ранее выпущенным устройствам с выходным сигналом в виде кода. При подключении к магистрали интерфейс­ной части измерительных устройств присваивается кодированный адрес.

В магистрали несколько линий, выполняющих определенную функцию, объединены в шины интерфейса, а именно: шину данных, шину синхронизации, шину управления (рис. 14.3). Шина данных используется для передачи так называемых приборных (информа­ционных) сообщений, к которым относят сообщения о результатах и единицах измерений, последовательности (программе) измерений и т.д. По шинам синхронизации и управления передаются так назы­ваемые интерфейсные сообщения, обеспечивающие взаимодействие подключенных к магистрали устройств. К интерфейсным относятся сообщения, предписывающие этим устройствам реализацию тех или иных служебных (интерфейсных) функций, таких, как: источник информации, приемник информации, контроллер, синхронизация передачи, приема, запрос на обслуживание, параллельный опрос, очистка устройства, запуск прибора, дистанционное и местное уп­равление.