Software & Systems

При построении контрольно-измерительных систем (КИС) на германиевой и других основах рассматриваются проблемы аппаратного оборудования и специализированного математического обеспечения (СМО), в которых учитываются конкретные цели КИС в данной проблемно-ориентированной области и возможности модернизации и адаптации КИС к другим областям применения с минимизацией затрат.

Требования к мобильности и адаптации КИС могут быть реализованы только при системном подходе к КИС на всех этапах — от проектирования аппаратной части до разработки СМО.

Благодаря опыту отечественных и зарубежных разработок аналогичных систем стало известно, что максимальная мобильность адаптации КИС достигается при блочно-модульном построении, включающем как аппаратные, так и программные средства. Максимум универсальности достигается благодаря широкому использованию стандартных аппаратных средств и протоколов обмена данными в сочетании с цифровыми линиями передачи и обработки данных.

Аппаратная часть КИС

Аппаратная реализация КИС обеспечивает максимальную гибкость и адаптацию для возможно большего числа применений.

Одной из основных частей любой КИС является сенсорная часть — датчики и первичные преобразователи измеряемых физических параметров объекта (среды). Тип и количество датчиков во многом определяют возможную область применения КИС, а от технической реализации этой части полностью зависят характеристики всей КИС.

Для расширения области применения КИС необходимо предусмотреть возможность использования переменного числа датчиков различного типа. Достичь этого можно при помощи автономных микроконтроллеров, обрабатывающих сигналы группы датчиков конкретного типа в непосредственной близости от них Использование датчиков разного типа достигается модульным построением микроконтроллеров. Так, например, если требуется измерить температуру, напряжение, влажность, скорости потока и давления, то в микроконтроллере должны быть предусмотрены блоки обработки сигналов датчиков температуры, напряжения, влажности,

скорости потока и давления. При этом каждый блок должен быть выполнен и виде отдельной сменной конструктивной единицы — в этом случае достигается возможность варьирования комплектации микроконтроллера. Возможность изменения числа датчиков одного типа достигается при помощи установки необходимого числа однотипных блоков при обеспечении единого протокола обмена между сменными блоками. Для обеспечения универсального интерфейса с управляющим центром передача данных от такого контроллера должна осуществляться через специализированный сменный блок в цифровой форме. Сменность интерфейсного блока обеспечивает возможность верификации расстояний и скоростей обмена данными, что значительно расширяет класс объектов, в которых может применяться КИС. Кроме того, в различных вариантах КИС могут использоваться одно- и двунаправленные каналы обмена. При двунаправленных каналах могут быть реализованы функции не только контроля, но и управления (если имеются соответствующие блоки, реализующие управляющие воздействия).

Чтобы уменьшить объемы передаваемой информации между микроконтроллером и управляющим центром, в микроконтроллере желательно выполнять первичную обработку данных, которая позволит унифицировать протоколы обмена данными и снизить требования к производительности центра, благодаря чему можно применять более дешевые ЭВМ или увеличить число точек измерения и перенести "специфику" обработки из центра в контроллеры. Это, в свою очередь, делает СМО более "прозрачным" и независимым от типов датчиков. Уменьшение объемов передаваемых данных снижает требования к каналу и позволяет использовать в большинстве случаев стандартные интерфейсы последовательных линий передачи данных (например RS —232), которые могут быть подключены непосредственно или через мультиплексоры к ЭВМ типа IBM PC/XT (AT) или графическим рабочим станциям типа БЕСТА-88 и др.

Первичная обработка может быть выполнена на базе сменного модуля со специализированной цифровой или цифроаналоговой ЭВМ.

Принцип построения источников питания. Поскольку при применении разных типов датчиков и преобразователей Moiyr потребоваться различные номиналы напряжения и предусмотреть все их значения в одном блоке невозможно, предлагается выполнять их в виде сменных блоков: +5, +12, -15, +15 и т.д. Однако сугубо специфичные источники питания (например источник тока на 100 мкА для транзисторных датчиков температуры и др.) должны располагаться в сменных блоках, обрабатывающих сигналы таких датчиков — этим достигается полная независимость сменных блоков и ограничивается число типов источников питания.

В настоящее время подобные блочно-модульные контроллеры реализуются в виде кассетных конструкций с единой магистралью обмена данными и фиксированным числом установочных мест для сменных блоков — в таких конструкциях реализуются все перечисленные возможности. Однако фиксированное число установочных мест приводит к тому, что при необходимости увеличения числа блоков из-за отсутствия конструктива с нужным числом установочных мест приходится использовать больше кассет, что приводит к увеличению габаритов. Кроме того, может возникнуть ситуация, в которой дополнительное введение одцого или двух сменных блоков потребует перехода к новой кассете гораздо больших размеров. Особенно часто это происходит при наличии большого числа микроконтроллеров с малым числом точек измерения.

Для устранения этого недостатка предлагается выполнять сменные блоки с элементами магистрали обмена данными между ними и элементами несущей конструкции, то есть при включении дополнительного сменного блока (включая блоки питания) происходит наращивание внутренней магистрали и конструкции такой кассеты. Иначе говоря, сменные блоки должны быть частью кассеты и, следовательно, размеры кассеты всегда равны сумме размеров входящих в нее сменных блоков. Для обеспечения жесткости кассеты сменные блоки должны иметь механические приспособления для скрепления друг с другом. Кроме того, в каждом сменном блоке должны содержаться все разъемы для подключения внешних электрических соединений (например датчиков).

Таким образом, мы приходим к микроконтроллерам со структурной схемой, в которой число и тип датчиков зависят только от числа и типа сменных блоков измерения СБИ . . . СБИ число линий управления зависит от числа и типа блоков управления (БУ), параметры интерфейса i — от типа сменного блока СБИ, наличие первичной обработки данных — от наличия и типа сменного блока первичной обработки данных (СБПО), количество номиналов питания — от числа используемых источников питания ИП]... ИП а ток — от их типа.

Итак, наличие первичной обработки данных позволяет строить более гибкие КИС, поскольку дает возможность на уровне управляющего центра оперировать не с промежуточными данными, а с физическими параметрами (температура, давление, влажность), а в отношении управления — с более общими понятиями (включить, измерить и тд.)

Специализированное математическое обеспечение КИС

Специализированное математическое обеспечение (СМО), кроме удовлетворения таким же требованиям, что и аппаратная часть КИС, должно отвечать и некоторым дополнительным условиям: максимальной аппаратной независимости и открытости для прикладных программ пользователя.

Аппаратная независимость необходима для упрощения наращивания системы и для возможности работы в различных конфигурациях управляющего центра; открытость — для наращивания сервисной части, например, использования различных программ статистической и графической обработки данных.

Открытость СМО не мешает сохранению коммерческой тайны, так как воспользоваться его практически можно только при передаче соответствующей документации, что согласовывается на уровне заключения договора.

Максимальная аппаратная независимость достигается при использовании в аппаратной части стандартных линий связи. В этом случае в СМО может использоваться стандартная драйверная среда выбранной операционной системы. Обмен производится через специализированную часть СМО, построенную по модульному принципу: каждый модуль-драй вер отвечает за обмен по каналу определенного типа. При написании драйверов учитываются системные соглашения операционной среды, в которую погружено СМО, что обеспечивает аппаратную независимость обрабатывающей части (ядра).

Обрабатывающая часть СМО реализуется на одном из машинно-независимых языков для обеспечения аппаратной независимости от конкретного управляющего центра на уровне перетрансляции исходных текстов программ. При этом возможно включение подпрограмм на языке ассемблера по строго детерминированным соглашениям для данного СМО.

В задачу ядра СМО входит управление процессами в реальном масштабе времени, осуществление диалога с оператором, оперативное отображение текущей информации о состоянии объекта, к которому подключена КИС, и накопление информации для последующей ее обработки прикладными программами (ПП). Для решения этих задач ядро должно содержать математическую модель объекта, интерфейс оператора, программы визуализации текущих данных и программы первичной статистической обработки и накопления данных на внешнем носителе.

Чтобы обеспечить максимальную независимость СМО от конкретного объекта контроля и управления, математическая модель должна быть реализована в виде наборов даппых, не содержащих программные операторы и загружаемых ядром в оперативную память целиком (или по мере необходимости) перед началом работы КИС. Для удобства модификации математической модели представляется целесообразным организовать данные с использованием реляционных структур с независимыми средствами обновления и редактирования. Это позволит гибко модифицировать математическую модель объекта и оперативно отслеживать изменения в процессе эксплуатации без изменения СМО.

Если наборы данных будут отражать иерархическую структуру объекта контроля и управления, то это позволит однотипно управлять воздействием по отношению к целому объекту или его частям.

Каждому элементу набора данных с соответствующей частью объекта должен быть приписан ряд состояний, в котором эта часть объекта и граф допустимых переходов между ними могут находиться. Тогда управление объектом будет базироваться на графах переходов, а конкретные действия, предпринимаемые КИС, определятся программными процедурами, связанными с тем или иным переходом по графу состояний. Чтобы упростить н сделать универсальными такие процедуры, важно, чтобы они оперировали наиболее крупными понятиями, а "расшифровка" выполнялась в микроконтроллерах в зависимости от конкретной реализации исполнительного механизма.

При такой организации математической модели процесс (например измерения какого-либо параметра) происходит одинаково и для одиночного датчика, и для группы датчиков, и для объекта в целом. При этом процедуры, активизируемые при переходах объектов из состояния в состояние, могут быть реализованы как независимые подпрограммы на языке высокого уровня или в специально разработанных терминах.

Для отражения связей между частями объекта в наборах данных могут использоваться различные виды ссылок: вверх, к однотипным наборам и вниз.

Диалог с оператором может быть реализован в виде многоуровневого меню, соответствующего возможным вариантам изменения состояния объекта. Отображение оперативной информации должно соответствовать состоянию графа и той части объекта, с которой взаимодействует оператор.

Практически рассмотренные функции ядра могут быть реализованы как независимые процессы с фиксированными приоритетами обслуживания под управлением ОС, где наивысший приоритет имеет процесс обслуживания драйверов устройств КИС.

Что касается программ статистической обработки данных, то они могут быть подвергнуты любой дальнейшей обработке при использовании данных, накопленных на внешнем носителе, через интерфейсные программы доступа. Эти программы могут быть написаны самим конечным пользователем КИС на любом языке.

Поставка специализированных программ редактирования математической модели конечному пользователю КИС может осуществляться или нет, но возможность самому реализовать библиотеку процедур ему предоставляется.

Этим достигается открытость СМО и его максимальная универсальность.