Text
                    ОГЛАВЛЕНИЕ
Предисловие............................................... 3
ЧАСТЬ ПЕРВАЯ
ВВОДНАЯ ЧАСТЬ
Глава 1. Определения. Описание структур и алгоритмов ИИС .	.	.	6
1.1.	Основные определения. Области применения ИИС................... 6
1.2.	Обобщенная структурная схема	ИИС............................14
1.3.	Описание функционирования ИИС. Содержательные логические
схемы алгоритмов.................................................. 17
Глава 2. Классификация ИИС.............................................25
2.1.	Разновидности входных величин..................................25
2.2.	Разделение ИИС по виду выходной информации ....	27
2.3.	Классификация ИИС по принципам построения. Роль ЭВМ ,	29
ЧАСТЬ ВТОРАЯ
ТЕХНИЧЕСКИЕ СРЕДСТВА ИИС
(СИСТЕМНОЕ ОБОРУДОВАНИЕ)
Глава 3. Агрегатный комплекс средств электроизмерительной техники
государственной системы промышленных приборов и средств авто-
матизации .........................................................32
3.1. Государственная система приборов. Основные положения .	.	32
3.2. Агрегатный комплекс	средств электроизмерительной техники	34
Глава 4. Устройства отображения и хранения информации в ИИС .	39
4.1. Индикация в ИИС...............................................39
4.2. Запись и хранение информации в ИИС............................43
Глава 5. Структуры и стандартные интерфейсы ИИС.......................48
5.1.	Основные разновидности структур и интерфейсов ....	48
5.2.	Протоколы и типовые алгоритмы обмена информацией ...	55
5.3.	Интерфейс с последовательным выполнением операций обмена
информацией..................................................58
5.4.	Приборный стандартный интерфейс..........................62
5.5.	Интерфейс КАМАК......................................... 67
5.6.	Интерфейсы периферийной части ЭВМ........................74
5.7.	Сопоставление алгоритмов стандартных	интерфейсов	....	78
5.8.	Об аналоговых интерфейсах измерительной	части	ИИС	...	80

Глава 6. Основные характеристики средств микропроцессорной техники 82' 6.1. ЭВМ и средства микропроцессорной техники в ИИС .... 82' 6.2. Микро-ЭВМ.....................................83 6.3. Микропроцессоры ...... ... 87 6.4. Микропроцессорные комплекты интегральных микросхем ... 89' 6.5. Программируемые клавишные ЭВМ.................90 6.6. Табличные методы преобразования информации ... .92' ЧАСТЬ ТРЕТЬЯ АНАЛОГО-ЦИФРОВАЯ ЧАСТЬ ИИС. ИЗМЕРИТЕЛЬНО-ВЫЧИСЛИТЕЛЬНЫЕ КОМПЛЕКСЫ Глава 7. Аналоговые электроизмерительные цепи ....... 95> 7.1. Виды модуляции сигналов в ИИС.................................95 7.2. Унифицирующие преобразователи................................100 7.3. Измерительные коммутаторы амплитудно-модулированных сиг- налов .............................................................Ю4 7.4. Защита входных измерительных цепей ИИС от помех .... 121 Глава 8. Структуры и алгоритмы аналого-цифровой части ИИС . . 126- 8.1. Основные структуры аналого-цифровой части . . ... 126= 8.2. Алгоритмы функционирования аналого-цифровой части ИИС 129 Глава 9. Измерительно-вычислительные комплексы........................143 ЧАСТЬ ЧЕТВЕРТАЯ СТРУКТУРЫ И АЛГОРИТМЫ ИИС А. Измерительные системы (ИС] Глава 10. Системы измерения независимых входных величин . . . 153’ 10.1. Основные разновидности систем измерения независимых вход- ных величин................................................... 153- 10.2. Многоточечные ИС с резистивными датчиками..................155 10.3. Мультиплицированная ИС с термопарами.......................157 10.4. Сканирующие системы для расшифровки графиков . . . . 160 10.5. Акустическая система для измерения координат графических изображений............................................... .... 166 10.6. О голографических измерительных системах .................169* Глава 11. Многомерные и аппроксимирующие ИС.........................172 11.1. Многомерные ИС (системы для раздельного измерения взаимо- связанных величин)............................................. 172' 11.2. Аппроксимирующие ИС................................... . 178- Глава 12. Статистические измерительные системы.....................182’ 12.1. Особенности измерения статистических характеристик случай- ных процессов....................................................182 12.2. Системы для измерения законов распределения вероятностей случайных процессов 18S 12.3. Корреляционные измерительные системы......................194* 12.4. Спектральные измерительные системы..........................211 Б. Системы автоматического контроля (САК) Глава 13. Теоретические основы автоматического контроля . . . . 216- 13.1. Функция и основные виды систем автоматического контроля 216' 13.2. О выборе контролируемых величин и областей их состояний 221
13.3. Ошибки контроля...............................................223 13.4. Объем выборки при контроле .... 229 13.5. Организация статистического контроля..........................231 13.6. Дискретизация непрерывной контролируемой величины . . . 234 13.7. Оценка эффективности и стоимости систем автоматического контроля............................................................230 Глава 14. Системы автоматического допускового контроля .... 242 14.1. Каналы контроля...............................................242 14.2. Устройства формирования норм и сравнения уставок с контро- лируемыми величинами................................................245 14.3. Системы автоматического контроля параллельного и последова- тельного действия...................................................250 14.4. Системы автоматического контроля с общей образцовой вели- чиной ..............................................................256 14.5. Основные алгоритмы работы систем параллельно-последователь- ного действия.................................................261 14.6. Системы автоматического контроля параллельно-последователь- ного действия.................................................264 Глава 15. О системах технической диагностики.........................275 Глава 16. О распознающих системах....................................285 В. Телеизмерительные системы (ТИС) Глава 17. Основные характеристики телеизмерительных систем и ли- ний связи.........................................................292 17.1. Особенности и основные характеристики телеизмерительных систем........................................................292 17.2. Линии связи.............................................296 17.3. Разделение сигналов в ТИС...............................299 Глава 18. Структуры и принципы действия ТИС.......................304 18.1. Аналоговые ТИС..........................................304 18.2. Цифровые ТИС (системы с кодоимпульсными сигналами) . . 311 18.3. Об адаптивных ТИС......................................... 316 18.4. Краткий обзор основных характеристик промышленных ТИС 318 ЧАСТЬ ПЯТАЯ ВВЕДЕНИЕ В СИСТЕМОТЕХНИЧЕСКОЕ ПРОЕКТИРОВАНИЕ ИИС Глава 19. Содержание системотехнического проектирования ИИС . . 321 19.1. Стадии проектирования ИИС....................................321 19.2. О проектировании программного обеспечения ИИС .... 324 19.3. Об автоматизации системотехнического проектирования . . . 326 19.4. Учебное задание на системотехническое проектирование . . . 331 Глава 20. Точностные характеристики измерительных систем . . . 336 20.1. Критерии оценки погрешностей измерения входной величины 336 20.2. Оценка полной погрешности....................................339 20.3. О распределении погрешностей между звеньями системы . . 345 20.4. О погрешностях квантования по уровню и округления при вы- числениях .........................................................338 20.5. Информационные оценки........................................352 Глава 21. Временные характеристики ИИС...........................354 21.1. Определение интервалов равномерной дискретизации .... 354 21.2. Об адаптивной дискретизации...................................364
21.3. Оценка времени измерительных преобразований аналоговой части . . ....................................... 36S? 21.4. Оценка времени работы цифровой части ИИС. Выбор ЭВЛА по быстродействию................................................... 374 Глава 22. Нормируемые метрологические характеристики измеритель- ных систем............................................................... 22.1. Общие положения................................................. 22.2. Нормируемые метрологические характеристики ИС ..." 383 22.3. Технические средства метрологических поверок ..... 387 22.4. Автоматическая коррекция погрешностей ИС....................391 Глава 23. Оценка эффективности и планирование измерительного экспе- римента при проектировании ИИС.................................... 395 23.1. Оценка эффективности ИИС................................... 395 23.2. Планирование измерительных экспериментов . . . . . . 403- Заключение ..................................................... .... 415 Приложение 1. Основные условные обозначения......................419 Приложение 2. Переходные характеристики цепочек типовых звеньев 420' Приложение 3. Таблица экспоненциальных, логарифмических функ- ций и интеграла вероятностей ........................................ 425 Алфавитный указатель..................................................426 Список литературы.................................................... 429
ББК 34.9 • Ц 17 УДК 681.518.3(075.8) Рецензент доктор технических наук профессор Мелик-Шахназаров А. М. Цапенко М. П. Ц17 Измерительные информационные системы: Структуры и алгоритмы, системотехническое про- ектирование.: Учеб, пособие для вузов. — 2-е изд., перераб. и доп. — М.: Энергоатомиздат, 1985. В пер.: 1 р. 30 к. 14 500 экз. Рассматриваются структуры и алгоритмы функционирования основных разновидностей ИИС, описываемые с помощью содержатель- ных логических схем алгоритмов. Введены новые разделы, посвященные описанию ИВК, микропроцессорных средств, стандартных интерфейсов и других системных средств ИИС. Излагаются основы системотехниче- ского проектирования ИИС. 1-е изд. вышло в 1974 г. Для студентов, обучающихся по специальностям «Информацион- но-измерительная техника» ff'«Автоматика й телемеханика». 2302010000-293 *,7ББК 34.9 051(01)-85 61-85 s s 6П2.1.081 © Энергоатомиздат, 1985
Часть первая ВВОДНАЯ ЧАСТЬ Глава 1 ОПРЕДЕЛЕНИЯ. ОПИСАНИЕ СТРУКТУР И АЛГОРИТМОВ ИИС 1.1. ОСНОВНЫЕ ОПРЕДЕЛЕНИЯ. ОБЛАСТИ ПРИМЕНЕНИЯ ИИС Современная информационная техника — крупнейший раздел технической к и б е р н ет и к и — дисциплины, изучающей об- щие закономерности процессов целесообразного управления, полу- чения и преобразования информации в технических устройствах. Информационная техника имеет колоссальное и непрерывно возрастающее значение в жизни человечества. Она решает огром- ный круг задач, связанных главным образом со сбором, перера- боткой, передачей, хранением, поиском и выдачей разнообразной информации человеку или машине. В соответствии с основными функциями информационной тех- ники выделяются следующие ее ветви: информационно-измеритель- ная техника, вычислительная техника, техника передачи информа- ции (связи), техника хранения и поиска информации. Каждая из этих основных ветвей информационной техники имеет свои осо- бенности, принципы построения технических устройств. В то же время они объединяются общими теоретическими основами. Остановимся несколько подробнее на информационно-измери- тельной технике (ИИТ). Она предназначена для получения опыт- ным путем количественно определенной информации о разнообраз- ных объектах материального мира. Основными процессами, позволяющими получить такую инфор- мацию, являются обнаружение событий, процессы счета, измере- ния, контроля, распознавания образов, диагностики. Существует широкое толкование этих терминов. Например, процесс измерения связывается с введением в исследуемое явление единицы измере- ния. Такое представление об измерении используется в математи- ке, социологии, психологии и др. В ИИТ применяется узкое тол- кование этих терминов, вытекающее из того, что процессы измере- ния реализуются экспериментально, служат для получения количественной оценки состояния материального объекта через сравнение параметров объекта с мерой (овеществленной единицей
измерения), описанием (через количественные характеристики) за- данного состояния. Полезно предварительно уточнить принятое в дальнейшем из- ложении представление об этих процессах. Согласно ГОСТ 16263-70 измерение — это нахождение зна- чения физической величины опытным путем с помощью специаль- ных технических средств. В процессе измерения получается чис- ленное отношение между измеряемой величиной и некоторым ее значением, принятым за единицу сравнения. Под контролем понимается установление соответствия меж- ду состоянием (свойством) объекта контроля и заданной нормой, определяющей качественно различные области его состояния. В результате контроля выдается суждение о состоянии объекта контроля. Распознавание образов связано с установлением соответст- -вия между объектом и заданным образом. Так же как и норма при контроле, при опознании образ может быть задан в виде об- разцового изделия или в виде перечня определенных свойств и значений параметров (признаков) с указанием полей допуска. Нужно заметить, что в целом ряде практических приложений по- нятия контроля и распознавания образов совпадают. Во многих случаях для восстановления нормальной работы объекта необходимо выявить элементы, послужившие причиной его неправильного функционирования. Такое направление развития ме- тодов и средств контроля работы технических устройств называ- ется технической диагностикой. Счет, т. е. определение количества каких-либо событий или предметов, в ПИТ относительно редко имеет самостоятельное зна- чение и чаще входит составляющей операцией в процессы измере- ния, контроля и т. д. Во всех перечисленных процессах, используемых в ПИТ, име- ются общие черты. Все эти процессы обязательно включают вос- приятие техническими средствами исследуемы?: (измеряемых, кон- тролируемых) величин, весьма часто с преобразованием в некото- рые промежуточные величины, сравнение их опытным путем с известными величинами, с описаниями состояний или свойств объ- ектов, формирование и выдачу результатов в виде именованных чисел, их отношений, суждений, основанных на количественных со- отношениях. В ИИТ наиболее важную роль играет процесс измерения, являющийся основным путем получения количественной информа- ции. Средства измерений известны со времен глубокой древности (Китай, Вавилон, Индия, Египет, Греция, Рим). Человечество пришло к необходимости выработать особые приемы количественного выражения существенных для него свойств объектов с помощью именованных чисел, соответствующих опре- деленным долям выбранных мер. К. Маркс считал, что отыскание «общественных мер для оценки количественной стороны полезных вещей»1 являлось делом раз-
вития общества. Так возник в развитии человеческой культуры процесс измерения, возникли средства и методы измерений, кото- рые в дальнейшем стали одним из важнейших орудий познания человеком окружающего его мира. Развитие науки и промышлен- ности стимулировало развитие измерительной техники; новые до- стижения измерительной техники оказывали влияние на развитие многих отраслей науки и техники. «Именно измерение связывает науку с математикой, с одной стороны, с торговлей и технической практикой—с другой»1 2. По существу ни одно экспериментальное научное исследование, ни один процесс производства не может обойтись без измерений в той или иной форме, без получения того, чго мы называем из- мерительной информацией. В настоящее время ни у кого не вызы- вает сомнения, что без должного развития методов и средств измерения невозможен прогресс науки и техники. Развитие современного научного эксперимента, включающего исследование космического пространства и элементарных частиц материи, глу- бин океанов и поверхности Земли, совершенствование промышлен- ного производства и средств комплексного управления производ- ством, развитие практически всех отраслей народного хозяйства и оборонной техники в значительной степени зависят от своевре- менного и качественного сбора измерительной информации, от должного уровня и опережающего развития средств измерения. Необходимо отметить роль метрологии в деле становления ме- тодов и средств измерения. Метрология в начале своего развития занималась главным образом сбором справочных данных о мерах и единицах измерений. Современная метрология превратилась в науку о точности измерений, о методах и средствах обеспечения их единства. Наряду с метрологией возникли теоретические основы изме- рительной техники в целом и по основным видам измерений (на- пример, электрические, оптические, механические измерения). В теоретическом плане при создании новых средств измерительной техники используются (обычно с необходимой доработкой в при- кладном плане) современные достижения математики, теории автоматического управления и телемеханики, вычислительной тех- ники, теории связи, планирования эксперимента и др. Здесь уместно заметить, что названные области науки в свою очередь используют достижения теории измерений, метрологии, измерительной техники. Встречаются обстоятельства, когда спе- циалисты смежных областей информационной техники занимаются решением задач, относящихся к измерительной технике. Так, на- пример, специалисты по вычислительной технике весьма часто занимаются созданием аналого-цифровых преобразователей, изме- рительных коммутаторов. Но, видимо, наметившаяся тенденция 1 Маркс К. Капитал. Т. 1.—М.: Госполитиздат, 1963, с. 44. 2 Бернал Д. Наука в истории общества. — М.: Иностр, лит., 1956 —735 с.
к созданию общетеоретических основ информационной техники приведет к определенному ограничению круга задач, подлежащих решению в каждом из разделов информационной техники, благо- даря получению общих решений. Однако потребности в новых ви- дах информационной техники растут очень быстро, ставя все но- вые задачи. Научный совет по проблемам электрических измерений и измерительных информационных систем АН СССР произвел анализ потребностей народного хозяйства Советского Союза в; средствах измерений. Оказалось, что в ближайшее время необхо- димо по крайней мере в 4 раза увеличить количество видов изме- ряемых величин. Но не только увеличение количества видов измеряемых вели- чин ведет к необходимости совершенствования средств измерений. До недавнего прошлого арсенал средств измерительной техни- ки ограничивался неавтоматическими и автоматическими измери- тельными приборами, предназначенными для измерения одной ве- личины или небольшой группы однородных величин, обычно не из- меняющихся за цикл измерения. Нужно отметить, что и в настоя- щее время производство таких измерительных приборов составляет заметную долю продукции приборостроительной промышленности. В последние годы, в первую очередь в связи с резкой интенси- фикацией и автоматизацией процессов производства, усложнением и расширением фронта научных экспериментов, существенно изме- нились требования к средствам измерения. Новые требования связаны главным образом с переходом к по- лучению и использованию результатов не отдельных измерений, а потоков измерительной информации. Зачастую необходимо полу- чать информацию о сотнях и тысячах однородных или разнород- ных измеряемых величин, часть из которых может быть недоступ- ной для прямых измерений. Как правило, получение всего объема измерительной информа- ции должно выполняться за ограниченное время. Если эти функ- ции возложить на человека, вооруженного лишь простейшими измерительными и вычислительными устройствами, то в силу фи- зиологических ограничений он, даже при весьма значительной тренировке, не сможет их выполнять. Решение этой проблемы пу- тем увеличения обслуживающего персонала не всегда возможно, а там, где это возможно, в большинстве случаев экономически невыгодно. Уместно заметить, что из-за опасных условий экспери- мента или вредности технологического процесса участие человека- оператора может быть вообще недопустимым. Таким образом, перед измерительной техникой была поставле- на проблема создания новых средств, способных разгрузить чело- века от необходимости сбора и обработки интенсивных потоков измерительной информации. Решение этой проблемы привело к появлению нового класса средств измерения—и змеритель- ных систем (ИС), предназначенных для автоматического сбора и обработки измерительной информации. Аналогично можно проследить развитие других средств ИИТ,
приведшее к необходимости создания кроме ИС также систем автоматического контроля (САК), технической диагностики (СТД), распознавания (PC). Совокупность перечисленных выше систем получила название информационно-измерительных или измерительных информацион- ных систем — ИИС [1.1]. Под ИИС понимаются системы, пред- назначенные для автоматического получения количественной ин- формации непосредственно от изучаемого объекта путем процедур измерения и контроля, обработки этой информации и выдачи ее в виде совокупности именованных чисел, высказываний, графиков и т. д,, отражающих состояние данного объекта. Измерительные информационные системы должны воспринимать изучаемые вели- чины непосредственно от объекта, а на их выходе должна полу- чаться количественная информация (и только информация) об исследуемом объекте; ИИС существенно отличаются от других информационных систем и систем автоматического управления. Так, системы вычислительные, связи и управления могут получать на входе информацию от других систем (в частности, от ИИС). Ра- зумеется, информация, получаемая на выходе ИИС, используется для принятия каких-либо решений, однако использование инфор- мации обычно не входит в функции ИИС. Далее принимается, что в ИИС объединяются технические средства, начиная от датчиков и кончая устройствами выдачи ин- формации, а также все программы, как необходимые для управ- ления работой собственно системы, так и позволяющие решать в ИИС измерительные и вычислительные задачи, а также управ- лять конкретным экспериментом. В ГОСТ 8.437-81 приведено следующее определение: ИИС — «совокупность функционально объединенных измерительных, вы- числительных и других вспомогательных технических средств для получения измерительной информации, ее преобразования, обра- ботки в целях представления потребителю (в том числе ввода в АСУ) в требуемом виде либо автоматического осуществления ло- гических функций контроля, диагностики, идентификации». Итак, ИИС — обобщающее понятие. Под ним подразумевается класс средств ИИТ, объединяющий системы измерения, контроля, технической диагностики и распознавания. Следует отметить, что понятие ИИС удовлетворяет содержа- нию более общего понятия «система». В теории систем под систе- мами понимаются множества взаимосвязанных элементов, пред- ставляющих целостные образования. Системы при этом характе- ризуются структурами (совокупностью элементов и связей между ними, порядком элементов), функционированием (порядком про- цессов, совокупностью реакций системы на условия внешней и внутренней среды) и «историей» (необратимые изменения вслед- ствие развития, старения, процессы обучения, адаптации, предва- рительно выполненные процедуры обработки информации и т. п.). Подразумевается, что исследование структур, функционирования и «истории» систем не может быть произведено только с помощью
аппарата физики (что возможно при рассмотрений измерительных преобразователей и приборов). F В соответствии со сказанным в книге рассматриваются в пер- вую очередь структуры и алгоритмы функционирования ИИС и их частей — комплексов, аналого-цифровых подсистем и т. п., а в не- обходимых случаях учитывается «история» систем. Уместно дать краткую историческую справку развития ИИС и указать основные области их применения. Основная концепция нового класса средств ИИТ — измеритель- ных информационных систем — была сформулирована в начале 60-х годов. В основу концепции ИИС уже в то время была поло- жена системная организация совместной автоматической работы средств получения, обработки и передачи количественной инфор- мации. Тогда были созданы ИИС, которые можно отнести к пер- вому поколению таких систем. Системы первого поколения харак- теризуются централизованным циклическим получением; измери- тельной информации и обработкой ее в основном с помощью входящих в состав ИИС специализированных вычислительных устройств, использованием в качестве элементной базы дискретной полупроводниковой техники. Дальнейшая обработка информации при необходимости в большинстве случаев производилась вне ИИС, в универсальных ЭВМ, занятых обслуживанием и других источников информации. Однако сложные ИИС в то время имели в своем составе ЭВМ, выполняющие только задачи, стоящие пе- ред этими системами. Измерительные информационные системы второго поколения (70-е годы) характеризуются адресным сбором измерительной ин- формации, обработкой информации с помощью ЭВМ, входящих в состав систем, и в меньшей степени с помощью специализиро- ванных вычислительных устройств, использованием в качестве эле- ментной базы микроэлектронных схем малой и средней степени интеграции. Широкое введение ЭВМ в состав ИИС стало возможным после организации промышленного выпуска управляющих вычислитель- ных машин и комплексов, а также малых ЭВМ с достаточными вычислительными и логическими возможностями, гибким програм- мным управлением, приемлемыми габаритами, потребляемой энер- гией и стоимостью. Улучшение многих характеристик ИИС было достигнуто бла- годаря использованию больших интегральных микросхем, микро- процессоров, микропроцессорных наборов (включая устройства ЭВМ™ ° б°льшим объемом запоминаемой информации) и микро- Качественно новые возможности при проектировании, изготов- лении и эксплуатации ИИС были получены при применении стан- дартных цифровых интерфейсов и промышленных функциональных блоков, совместимых между собой по информационным, метроло- гическим, энергетическим и конструктивным характеристикам. Применение в ИИС ЭВМ и стандартных цифровых интерфейсов
привело к необходимости формального описания алгоритмов дей- ствия систем и к резкому возрастанию роли программного обес- печения систем. Оказалось, что для цифровых централизованных ИИС с про- граммным управлением можно организовать промышленный вы- пуск универсального цифрового ядра, в которое входят цифровые измерительные и вычислительные средства и стандартные устрой- ства ввода и вывода цифровой информации. Количество созданных и реально действующих в нашей стране ИИС резко возрастает и трудно поддается оценке. Видимо их число может быть оценено в несколько десятков тысяч. Измерительные информационные системы находят применение везде, где необходимо автоматическое получение опытным путем количественной информации о состоянии объектов исследования, причем это получение связано с выполнением массовых операций и (или) осуществлением измерений в сложной форме, недоступ- ной локальным измерительным приборам. Не имея возможности рассмотреть весь огромный диапазон областей применения ИИС, остановимся хотя бы на перечислении некоторых из них. В измерительном оборудовании систем управления, жизнеобес- печения и научно-исследовательских работ космических кораблей, в наземных измерительно-управляющих комплексах все большую роль играют ИИС. Радиотелеметрические системы космических исследований являются важной разновидностью ИИС. Описание и анализ таких систем даны в [1.2]. В области экспериментальной аэродинамики с помощью ИИС производится измерение аэродинамических сил, распределения давлений, температур, расходов газов и многих иных величин. Экспериментальная прочность нуждается в измерении внешних сил, воздействующих на исследуемые объекты, и реакции на их действие (напряжения в материале, смещения и т. д.), характе- ристик самих объектов и т. п. В обширных областях тензометрии, динамометрии, термометрии и т. п. в качестве основных экспери- ментальных средств применяются ИИС. Геофизические экспериментальные исследования оснащены многочисленными ИИС, в которых реализуются эффективные ме- тоды исследования строения земной коры. В океанографических исследованиях с помощью ИИС проис- ходит измерение температур, химического состава, скоростей дви- жения, давлений в водной среде и т. п. Химические, физические, биологические экспериментальные ис- следования основаны на огромном количестве разнообразных ме- тодов и их реализаций с помощью ИИС. Это определение состава и характеристик объектов исследования и внешних воздействий, условий эксперимента и т. п. [1.3]. Для применения в метеорологии, для охраны окружающей сре- ды созданы многочисленные ИИС, позволяющие получать и об- рабатывать измерительную информацию о состоянии воздушной и водной сред, о солнечной радиации и т. п. [1.4].
Особо, пожалуй, следует отметить ИИС, построенные для нужд метрологических исследований и метрологического обеспечения единства измерений в стране, так как такие ИИС должны обла- дать высокими метрологическими характеристиками (см. гл. 22). •Огромное поле для приложения ИИС представляют комплекс- ные испытания машин, конструкций, приборов, оборудования. Ис- пытания таких конструкций, как суда, летательные аппараты, дви- гатели (внутреннего сгорания, реактивные и др.), требуют созда- ния сложных технических средств в целях получения необходимой, главным образом измерительной, информации. . Медицина оснащается современными ИИС, позволяющими по- лучать и оценивать ряд физиологических и психофизических па- раметров человека. Можно предполагать, что количество ИИС, применяемых в медицине, будет резко возрастать [1.5]. Уже говорилось, что в промышленности, на транспорте, в сель- ском хозяйстве, вообще во всем народном хозяйстве страны до- вольно широко используются ИИС [1.6, 1.7]. В связи с примене- нием микропроцессорных средств существенно расширяются воз- можности ИИС. Они становятся незаменимой составной частью роботов и др. Автоматизированный контроль и испытания продук- ции производятся в основном с помощью ИИС. Перед тем как закончить краткий очерк основных областей применения ИИС, нужно отметить, что реализация ИИС, особенно встроенных в конкретную аппаратуру, установку и т. п., может быть не выделена конструктивно и не отражена в названии. Так, испытательный стенд, станция, аппаратура, отдельная часть АСУ каким-либо технологическим процессом и т. п. нередко содержат в своем составе какую-либо разновидность ИИС. Другими слова- ми, на практике часто встречаются используемые, но не выделен- ные особо в явном виде ИИС. В настоящее время создается и начинает использоваться третье поколение ИИС, в котором, как можно предполагать, более ши- рокое применение получат системные измерительные преобразова- тели (голографические, телевизионные, рентгенографические и т. п.), позволяющие подобно рецепторным полям биологических анализа- торов воспринимать поля исследуемых величин. Рассредоточение вычислительной мощности по различным уровням и блокам ИИС может уменьшить потоки информации, сократить общее время обработки, повысить надежность работы системы. В ИИС будет более широко осуществляться многофункциональная обработка измерительной информации благодаря рациональному сочетанию средств с жесткой структурой (аппаратная реализация) и гибкими перестраиваемыми структурами и программами работы. Будут созданы измерительные, контрольные и другие роботы. В быстро- действующих ИИС, работающих в реальном времени, будут объединены процедуры измерения и обработки информации. Су- щественно расширится применение устройств памяти. Будут ши- роко использоваться выпускаемые промышленностью наборы функциональных устройств, объединяемых стандартными интер-
фейсами. Большое значение приобретут диалоговые режимы ра- боты оператора с ИИС, В элементной базе резко увеличится доля интегральных микросхем большой и сверхбольшой степени инте- грации. Следует отметить, что появление нового поколения ИИС не перечеркивает существование предыдущего, а берет из него наибо- лее важное и рациональное. 1.2. ОБОБЩЕННАЯ СТРУКТУРНАЯ СХЕМА ИИС Для описания ИИС, объяснения состава функциональных ча- стей и элементов, их назначения и взаимосвязи в системе широко применяются структурные схемы. Описание ИИС и входящих в них функциональных элементов может также производиться с помощью функциональных (разъясняющих протекающие в них процессы) и принципиальных (представляющих соединение выпу- скаемых промышленностью элементов систем с указанием их но- минальных значений) схем. Следует отметить, что в связи с рас- ширенным применением в ИИС многофункциональных интеграль- ных микросхем принципиальные схемы могут оказаться даже менее подробными, чем структурные. Если структурные и функциональные схемы применяются пре- имущественно для рассмотрения принципов построения, при си- стемном анализе, то принципиальные схемы предназначены для схемотехнической проработки системы. Так как основное назначение книги связано с рассмотрением принципов построения систем, то в ней используются главным об- разом структурные схемы с условными графическими обозначения- ми или с аббревиатурой названия элементов. Особенно наглядны- ми в указанном смысле являются схемы, составленные из элемен- тов, выполняющих типовые функциональные преобразования. Прежде чем приступить к рассмотрению структур различных систем, уместно привести обобщенную структурную схему ИИС (рис. 1.1), с тем, чтобы одновременно познакомить читателя с условными графическими обозначениями типовых функциональных преобразователей, принятыми в книге. В обобщенной структурной схеме показано множество датчи- ков I, размещенных постоянно в определенных точках пространст- ва, перемещающихся в пространстве (сканирующего типа) или воспринимающих одновременно поле исследуемой величины, мно- жество аналоговых 2, аналого-цифровых 3 преобразователей, циф- ровые ча'сти 4 и 5, множество цифро-аналоговых преобразователей 6. Функциональные блоки могут соединяться между собой через стандартные интерфейсы (см. гл. 5), технические средства которых содержат системы шин 7.1, интерфейсных узлов ИФУ 7.2 и устройств управления 8. На рис. 1.1 показана также возможность соединения функциональных блоков жестко установленными свя- зями.
Рис. 1.1. Обобщенная структурная схема ИИС
3 5~ £7.7
Устройство управления может формировать командную ин- формацию {Фо*}> принимать информацию {/*} от функциональ- ных блоков и подавать команды на исполнительные устройства 9 для формирования воздействия на объект исследования. Воздей- ствия могут быть, например, в виде электрических Е7, механиче- ских Р, тепловых Т°, оптических О, гидравлических G и акустиче- ских А величин. Воздействия могут организовываться, во-первых, в целях создания соответствующих условий для проведения экспе- римента и, во-вторых, для уравновешивания величин, действую- щих на входы датчиков. В последнем случае система называется замкнутой с компенсационной обратной связью, а формируемые воздействия — компенсирующими величинами. Множество аналоговых преобразователей 2 содержит преобра- зователи 2.1 и нормирующие преобразователи 2 2 аналоговых сиг- налов (например, масштабные преобразователи, преобразователи вида модуляции), коммутаторы аналоговых сигналов 2.3, анало- говые вычислительные устройства (с обозначением F) 2.4, анало- говые устройства памяти 25, устройства сравнения аналоговых сигналов 2.6, аналоговые каналы связи (с обозначением КС) 2.7, аналоговые показывающие и регистрирующие измерительные при- боры 2.8. Интерфейсные устройства ИФУ аналоговых блоков главным образом служат для приема командных сигналов и передачи информации о состоянии блоков (см. гл. 5). Например, через ИФУ могут передаваться команды на изменение режима работы, на подключение заданной цепи с помощью коммутатора. Между аналоговыми и цифровыми устройствами включено множество аналого-цифровых преобразователей 3.1 и аналоговых устройств допускового контроля 3.2. К цифровым устройствам 4 относятся формирователи импуль- сов 4.1, преобразователи кодов 4.2, коммутаторы 4.3, специализи- рованные цифровые вычислительные устройства 4.4 (с обозначе- нием CPU), устройства памяти 4.5, устройства сравнения кодов 4.6, каналы цифровой связи 4.7 (с обозначением КС), универсаль- ные программируемые вычислительные устройства — микропроцес- соры, микро-ЭВМ и т. п. — 4.8. Группа цифровых устройств вывода, отображения и регистра- ции 5 содержит формирователи кодоимпульсных сигналов 5.1, пе- чатающие устройства 5.2, устройства записи на перфоленту 5.3 (ПЛ) и считывания с перфоленты 5.4 (также с обозначением ПЛ), накопители информации на магнитной ленте 5.5 (МЛ) и магнит- ных дисках 5.6 (МД), дисплеи 5.7 (Д), сигнализаторы 5.8, цифро- вые индикаторы 5.9. В структурных схемах далее используются также обозначения элементов цифровой вычислительной техники, установленные ГОСТ 2.743-82. В частности, применяются следующие обозначения: регистр — RG, счетчик—СТ, устройства задержки во времени — DL, генератор — G (серии импульсов — Gn, непрерывной последо- вательности импульсов >— GN, линейно изменяющегося сигнала —
q/, синусоидального сигнала — (jSJN,одиночного импульса — G1}, дешифратор—'DC, триггер—?, память—М (ОЗУ—RAM, SAM, ПЗУ—ROM, ППЗУ—PROM), мультиплексор (цифровой коммутатор)— MUX, демультиплексор—DMX и др. Кроме указанных на рис. 1.1 условных графических обозначе- ний в структурных схемах используются обозначения, приведенные в приложении 1. Уместно отметить, что ЭВМ 4.8 могут взять на себя ряд пре- образований, выполняемых, например, в блоках 2.4, 2.5, 2.6, 4.2, 4.4, 4.6, 5.1, а также функции управления (блок 8). Эти преобра- зования, естественно, будут выполняться программным путем. Конечно, не во всякой ИИС требуется присутствие всех при- веденных на рис. 1.1 блоков. Для каждой конкретной системы количество блоков, состав функций и связи между блоками долж- ны устанавливаться особо. Нужно отметить, что в технической литературе можно встре- тить название компонентов ИИС, являющихся объединением не- скольких функциональных блоков. Так, например, объединение коммутаторов аналоговых сигналов и аналого-цифровых преоб- разователей иногда называют многоканальными АЦП. Структурные схемы содержат важную информацию о системе,, но эта информация не позволяет судить о последовательности, ре- жимах, вообще об алгоритмах работы данной системы. Это осо- бенно относится к системам, основанным на использовании вы- числительных комплексов, цифровых интерфейсов, содержащих микропроцессоры, ЭВМ и другие многофункциональные устрой- ства. Таким образом, для описания функционирования систем дол- жен быть использован соответствующий аппарат. 1.3. ОПИСАНИЕ ФУНКЦИОНИРОВАНИЯ ИИС. СОДЕРЖАТЕЛЬНЫЕ ЛОГИЧЕСКИЕ СХЕМЫ АЛГОРИТМОВ Вводные замечания Описание принципа и последовательности действия средства измерения в большинстве случаев проводится словесно, на естест- венном языке. Оно становится громоздким для сложных измери- тельно-вычислительных систем, что затрудняет анализ работы и сравнение вариантов реализации таких средств измерения, за- трудняет подготовку их программного обеспечения. Логические схемы алгоритмов (ЛСА) [1.8, 1.9] выделяются среди способов формального описания работы автоматических устройств компактностью записи, возможностью представления алгоритма с наперед установленной степенью детализации, изве- стной связью с логическими схемами программ, возможностью- минимизации объема некоторых видов алгоритмов. В ЛСА применяются заранее определенные множества функ- циональных {А.}, логических {од} операторов, а также правила последовательности выполнения алгоритма в зависимости от
удовлетворения условий со.;. При отсутствии логических операто- ров или при удовлетворении в них логических условий операторы ЛСА выполняются последовательно слева направо. Если логиче- ские операторы не удовлетворяются, то дальнейший путь выпол- нения алгоритма может быть обозначен с помощью указательных знаков (например, полускобок). Так, алгоритм А1|_А2а>^4з преду- сматривает выполнение операторов Ар42, и если удовлетворяется условие <о, то и оператора А3; если же условие со не удовлетворя- ется, то будут повторяться операторы А2А2А2 до тех пор, пока оно не будет удовлетворено. К основным недостаткам ЛСА можно отнести необходимость составления и постоянного использования списков операторов •{А} и {со.;} с расшифровкой их содержания, отсутствие эффектив- ных методов минимизации записи. Эти недостатки слабо прояв- ляются при относительно простых и обостряются при сложных ЛСА. Наличием перечисленных недостатков можно объяснить в пер- вую очередь то, что ЛСА в информационно-измерительной техни- ке применялись преимущественно для рассмотрения аналого-циф- ровых преобразований и мало использовались для описания функ- ционирования сложных измерительных комплексов и систем. Ниже предлагаются и рассматриваются содержательные логи- ческие схемы алгоритмов (СЛСА), предназначенные для фор- мального описания работы ИИС, в том числе включающих малые ЭВМ. В СЛСА развиваются и конкретизируются идеи ЛСА при- менительно к специфике таких систем [1.10]. При разработке СЛСА предполагалось, что они должны: описывать функционирование как аппаратной, так и програм- мно-управляемой частей ИИС; отражать по возможности наглядно содержание описываемых преобразований; описывать не только информационные преобразования, но и служебные операции; служить основой для составления программ; описывать функционирование ИИС с разной детализацией. Условные обозначения СЛСА В СЛСА объединяются операторы, определяющие обмен ин- формационными . и служебными сигналами между функциональ- ными блоками системы, а также преобразования этих сигналов. Каждый оператор содержит указатель его назначения и конкрет- ное содержание передаваемой или преобразуемой информации. Операторы в алгоритме размещаются в строке слева направо и отделяются друг от друга интервалами. В сложных алгоритмах выделяются группы связанных между собой операторов. Для на- глядного представления алгоритмов возможно размещать группы операторов на отдельных строках и сопровождать их необходи- мыми пояснениями. Обозначения информационных преобразований в СЛСА в ос- новном выполняются буквами латинского алфавита,_ а служебной
информации— греческого. Аналоговая величина в о щем виде обозначается буквой х, множество таких величин — X, цифро- вая — z, а множество цифровых величин — Z. Цифровое выра- жение конкретной аналоговой величины представляется в ви- де D х. Функциональные операторы получения, преобразования, пере- дачи, выдачи измерительной информации обозначаются !(/*). В скобках дается конкретное содержание таких операторов. Наи- более распространенное содержание операторов связано с опера- тивным хранением информации S(storage), выдачей, чтением ин- формации R (read), записью, регистрацией информации W (write), обработкой информации F (function) и СР (compute), операция- ми сравнения CR (comparison) и контроля CH (checking). Обозначения операторов с перечисленными преобразованиями над X и Z имеют вид: I(S:X), I(S:Z); I(R:X), I(R:Z); I(W:X), I(W:Z); I (F : X), I (CP : Z); I(CR:x,-, x,), I(CR:z„ zj); I (CH : x), I (CH :z). Преобразование сигналов записывается с указанием входных и выходных величин, разделенных наклонной црямой, причем указы- вается вид преобразования информации. Передача аналоговых и цифровых величин обозначается как I(x), I(X), I(z), I(Z). Различаются операторы, характеризующие преобразования ин- формации внутри блоков системы, и операторы, определяющие процесс обмена информацией между блоками. Например, в СЛСА Ii(xi/zi) I2(z,) I3(zi/z2) I4(z2) I5(F :z2/z3) I6(z3) I7(S:z3) опера- торы Ii, I3, I5, I7 характеризуют преобразования внутри блоков (Ii — аналого-цифровое преобразование, 13 — преобразование ко- да, I5—функциональное преобразование и 17—запоминание), а I2, Ц, Ц—передачу информации между блоками. В зависимости от области применения можно использовать различные СЛСА. В частности, для описания последовательности выполнения опе- раций передачи информации по магистрали цифрового интерфей- са можно использовать операции 12, 14, 1б, дополнив их командами, адресами блоков и другой информацией, необходимой для орга- низации процесса обмена информации в принятом интерфейсе.. Кроме измерительной информации необходимо передавать ад- реса Ad* (address) блоков системы или их частей SbAd*, инфор- мацию о времени Т* (time), режиме или диапазоне работы L* (law). В том случае, когда передача адреса Ad* или субадре- са SbAd* должна сопровождаться указанием на то, что переда- ется именно адрес, это обозначается в СЛСА как Ad (Ad*) и SbAd (SbAd*) соответственно. Подобным же образом вводятся указатели Т и L. Для обозначения суммирования используется знак S, вычита- ния А, умножения П, деления г, дифференцирования d, интегри- рования J. Каждый из цифровых блоков может являться приемником, источником или приемоисточником информации. Кроме этих раз- новидностей блоков следует выделить устройство управления
процессом обмена информацией в системе и исполнительные уст- ройства, служащие для формирования воздействий на объект изу- чения. На рис. 1.1 показан блок управления, который обменива- ется с блоками системы командной информацией Ф(Ф*), а также информационными сигналами. Исполнительное устройство может оказывать тепловые Т°, механические Р и электрические U воз- действия на объект исследования. Компенсационные воздействия отмечаются индексом к (см. ниже табл. 1.1). К наиболее распространенным командам относятся Ф(К), ®(W), Ф(5), Ф(В) и Ф(Е) — «выдать», «записать», «запом- нить», «начать» и «завершить» выполнение алгоритма соответст- венно. Логические операторы разделяются на операторы состояния, условные логические операторы без переноса и с переносом по- следовательности выполнения алгоритма. Информация о состоянии <р характеризует состояние блока. Если блок «готов» или «не готов» принять, выдать, запомнить ин- формацию, то формируются сигналы <p(W), <p(W), cp(R), <p(R), <p(S), tp(S). Подтверждение (или отсутствие подтверждения) приема или выдачи информации осуществляется сигналами g>(W:Z*), <p(W-Z*), tp(R:/*), tp(R:/*). В табл. 1.1 приводятся графические обозначения и операторы, отражающие преобразования, выполняемые основными функцио- нальными блоками ИИС. Кроме буквенных обозначений в СЛСА используются символы: преобразования /; выполнения всех (параллельно) || и любого (одного) ] из операторов, объединяемых этими символами; пере- носа части СЛСА на другую строку X; продолжения СЛСА .. ; установления или изменения индекса или выражения : = ; пере- дачи импульсным сигналом по специальной шине i—i; выполне- ния части СЛСА программным путем г~1. Содержательные логические схемы алгоритмов записываются слева направо в порядке выполнения операторов, команд, логиче- ских условий, конкретное содержание которых заключается в круглые скобки. Для объединения нескольких связанных опера- торов (например, выполняемых одновременно) используются пря- моугольные, а для более крупного объединения операторов -— фи- гурные и двойные скобки. При одинаковых частях алгоритмов можно использовать для запи- си сокращенные обозначения, заключенные в угловые скобки <>. Например, вместо [1ц (xq/xi) Ij2 (х>/х2) 113 (х2/х3) ] || [121 (Хо/Х1) X Xl22(xi/x2) I23(л-г/л-з)]П • • • II [Ini(xo/Xi) 1и2(Х]/х2) (А?г/ЛГд)] мо- жет быть записано <Ii> : = [Iu(xoMi) Ii2(*i/*2) 113(^2/^3)]П<12>11-. .11<1п>- В ряде слу- чаев возможна минимизация записи СЛСА объединением преобра- зований, последовательно выполняемых внутри блоков; например, I(xo/x'i)I(Xi/x2) может быть записано в виде 1(%о/х2). Перенос выполнения алгоритма обозначается верхними полу-
Таблица 1.1. Обозначения ФБ и преобразований Наименование блока Условное обозначение Наименование блока Датчик Г 1 Kx^Xt) Преобразова- тель кодов Аналоговый пре- образователь Нормирующий аналоговый преоб- разователь Аналоговый ком- мутатор Аналоговое ЗУ Аналоговое уст- ройство сравнения У словное обозначение •— * / Цифровой ком- мутатор, муль- типлексор Цифровое устройство сравнения Цифровое вы- числительное устройство Мини- или микро-ЭВМ Аналоговое вы- числительное уст- ройство KF-V Цифровой канал связи Аналоговый ка- нал связи КС Кх) Регистрирующий прибор Показывающий прибор Аналого-цифро- вой преобразова- тель ъ них - г Цифровое ЗУ — СР1 — аг 1(2) I(W:x) Устройство управления Исполнитель- ное устройство Цифровое ре- гистрирующее устройство ’ 1 ф“ ФСУ • и,ик Р,Рк Г°,Г°К I(WtZ)
П родолжснае т об л. 1.1! Наименование блока Условное обозначение Наименование блока Условное обозначение Цифро-аналого- вый преобразова- тель Накопитель на магнитных дисках Накопитель на магнитнол ленте Накопитель на перфоленте Дисплей (экранный пульт) Цифровой ин- дикатор Индикатор ре- зультатов кон- троля Таймер Вычислитель- ные операции скобками Г или показывающими его направление, а место продолжения — нижними полускобками J или ]_ Если в алгорит- ме имеются несколько переносов действия, то они маркируются Г- J. I • « I Перенос действия алгоритма в замкнутых измерительных си- стемах (системах с обратной информационной связью) обознача- ется с помощью полускобок, которые в этом случае показывают жесткое соединение отмеченных мест в цепи преобразования. На- пример, В СЛСА [1(Х1)||Ц(Хо.с)]1[(Х1—Хо.с)/Х2][1(Х2/Хо:с)_|Ц1(Х2)1 показано действие информационной обратной связи в системе. Последовательность выполнения алгоритма изменяется, если не удовлетворяется логическое условие го. В этом случае дальней- шее выполнение алгоритма определяется знаками переноса. На- пример, в СЛСА L_Ii(/*) (о (®*) Й если не удовлетворяется условие к»*, выполняются преобразования Ii(/*) Ii(/*)... до тех пор, пока ®* = 1, тогда происходит преобразование 1г(7*). Если справа от условного логического оператора не стоит по- лускобка, то этот оператор задерживает выполнение алгоритма- до тех пор, пока не будет удовлетворено логическое условие. Для отражения в СЛСА временных соотношений целесообраз- но учитывать следующие рекомендации. Преобразования над аналоговыми сигналами выполняются в течение всего времени действия алгоритма. Преобразования дис-
кретных и цифровых величин выполняются в течение ограничен- ного времени, а их результаты сохраняются на выходе преобразо- вателей в течение времени, необходимого для последующих пре- образований. Если необходимо оставить неизменным какой-либо сигнал в течение определенного времени, то могут быть исполь- зованы обозначения начала и окончания его действия: 1(7*)... ...1(7*), Ф(Ф*) ...Ф(Ф*) и т. п. Если система имеет несколько ступеней иерархии, то на каж- дой из ступеней целесообразно ввести свою индексацию сигналов. Сигналы, связанные с определенными блоками, могут при необхо- димости иметь индексы, соответствующие номеру блока. Сигналы, формируемые блоком управления, желательно отмечать индек- сом 0 (1о, Фо, ®о, фо)- Условные обозначения СЛСА сведены в табл. Е2. Таблица 1.2. Условные обозначения содержательных логических схем алгоритмов Содержание Обозначение Содержание Обозначение Символы Преобразование сигналов Параллельное преобразо- вание (И) Выполнение любого пре- образования (ИЛИ) Перенос СЛСА Продолжение СЛСА Объединение преобразо- ваний Сокращенное обозначение Расшифровка или изме- нение содержания Передача импульсного сиг- нала Выполнение алгоритма программным путем Перенос выполнения алго- ритма / II 1 X (•> Начало и окончание дей- ствия операторов (раз- мещается над опера- тором) Отрицание, невыполнение оператора (над опера- тором) Информационные опера- торы (см. табл. 1.1) Служебные операторы Адрес Субадрес Время Режим работы, диапазон Статус, состояние Логические операторы Командные операторы Начать Завершить Записать Выдать на устройство индикации (-) 1(7*) Ad (А/*) SbAd(SMd*) Т(Г) L(A*) ?(?*) <о(<о*) Ф(Ф*) ф(В) ф(Е) ®(W) Ф(Ю О преобразованиях СЛСА Ниже приводится несколько общих соображений о преобразо- ваниях VjvKZxx. Возможно выполнение однородных операций измерительных преобразовании параллельно (одновременно) [I,(7*) Ц...Ц1;(7*)||... • • ЛЕг (7 ) ] и последовательно Е(7*) ...14 (7*) ... 1п (7*) во време- ни. 1от или инои вариант СЛСА должен выбираться в результа-
те анализа времени преобразования и сложности структуры и предъявляемых в этом отношении требований к системе. Выполнение одинаковых преобразований из параллельных ка- налов может быть выделено и произведено последовательно. На- пример, СЛСА [ЦхО I(x!/Axi)|| ... ||I(Xi) I (хг/Лх,) |l.. ,||I(xn) X Xi (xnlkxn) ]|_Ф(i: = t-J-1) I (Xlkxi) <й (i—n) . может быть пре- образована к следующему виду: [I(Xj) II... Ill (Xi) 11... ||I(xn) J L$(i: = H-1)X I(Xi/kXi) (£>(i = n)“| . . . Целесообразность такого выделения определяется в результа- те анализа в первую очередь метрологических характеристик. Одинаковые преобразования в последовательной цепи можно выполнять только один раз: например, СЛСА |_O(i: = i-f-l)X X[I(S:Di) I(S:Dj)] ®(i=n)~|... может быть преобразована к виду: |_Ф(i: = i+1) I(S:Dt) ®(ii=n)~|I (S:Dj), Для частей СЛСА, содержащих большое количество однотип- ных операций и логических условий, в целях их минимизации мо- жет быть использован формальный аппарат преобразования логи- ческих схем алгоритмов и т. п. Варианты СЛСА одной и той же ИИС могут различаться сте- пенью детализации (от объединения сложных преобразований до совокупности простых операций), соотношением объемов ана- логовой и цифровой частей, объемами аппаратной и программ- ной реализаций, местом размещения канала связи в системе, по- следовательностью выполнения операций преобразования (парал- лельное, последовательное), применением стандартных или спе- циализированных интерфейсов и т. п. Вариант СЛСА системы должен выбираться на основании со- поставления результатов анализа с предъявляемыми требова- ниями. Важно отметить, что при анализе погрешностей измерения должны учитываться погрешности информационных операций преобразования, а при анализе времени измерения должно учи- тываться также время выполнения всех служебных и информа- ционных операторов. Следует обратить внимание на необходи- мость учета совместного (совмещенного во времени) выполнения преобразований аналоговых сигналов и раздельного во времени выполнения операций над импульсными и цифровыми сигналами. В первом случае следует применять известные методы реше- ния дифференциальных уравнений, а во 'втором можно ограни- читься суммированием времен выполнения операций дискретных и цифровых преобразований (см. гл. 21).
Глава 2 КЛАССИФИКАЦИЯ ИИС Классификация ИИС может оказать помощь в установлении терминологии, касающейся ИИС, и в систематизации обширного материала по принципам построения ИИС. В классификации ИИС должны быть отражены прежде все- го вид входных величин и выходной информации, а также прин- ципы построения систем. При выборе классификационных признаков ИИС целесооб- разно отвлечься от многочисленных особенностей, определяемых узким назначением систем и их конструктивным исполнением, и сосредоточиться на наиболее общих, системных отличительных особенностях. В то же время число классификационных призна- ков должно быть ограниченным, но достаточным для характери- стики основных разновидностей ИИС. Необходимо отметить, что, несмотря на важность знания мет- рологических характеристик ИИС, употребление их в качестве классификационных признаков связано с существенными трудно- стями. Действительно, все метрологические характеристики (по- грешность, быстродействие и др.) являются количественными. В пределах диапазона действия той или иной характеристики можно выделить ряд интервалов. Однако сопоставление ИИС по их месту в такой системе признаков (в особенности по бинарно- му принципу) в общем случае весьма условно. В самом деле, по- грешность ±0,5%. при лабораторных условиях работы системы можно считать относительно большой по сравнению с той же по- грешностью у системы, работающей в тяжелых эксплуатационных условиях. Видимо, сопоставление ИИС по количественным харак- теристикам эффективно только для ИИС с одинаковым, сравни- тельно узким функциональным назначением. Предлагаемая классификация построена по принципу разде- ления области, характеризуемой каждым выбранным признаком, на две непересекающиеся подобласти. Предполагается, что основные варианты бинарного вида при классификации реальных систем могут дополняться их комбина- циями. Так, например, реально существуют ИИС не только с по- следовательным или параллельным, но и с параллельно-последо- *вательным выполнением операций получения информации. 2.1. РАЗНОВИДНОСТИ ВХОДНЫХ ВЕЛИЧИН На входы ИИС может поступать большое количество одно- родных или разнородных по физической природе величин (меха- нических, электрических, тепловых и др.) и сопутствующих им влияющих величин (помех). Естественно, учет физических свойств входных величин и их количественных характеристик имеет боль- шое значение при создании и использовании ИИС. Однако в об-
щей классификации ИИС, как уже говорилось, целесообразно со- средоточить внимание на особенностях исследуемых величин, опре- деляющих принцип действия ИИС с точки зрения системотехники. Классификация входных величин по таким признакам приве- дена в табл. 2.1. Входные величины характеризуют исходный «материал», по- ступающий в ИИС, и, следовательно, в определенной мере позво- ляют определить, какие оценки могут быть получены при нали- чии этого «материала». Таблица 2.1. Классификация входных величин (сигналов) Классификационный признак Клас сы Количество величин Поведение во времени Расположение в простран- стве Характер величин Энергетический признак Взаимосвязь помех с вход- ными величинами i = 1 Неизменное Сосредоточенное в точке Непрерывный Активные Независимые помехи 1Д--2 Изменяющееся Распределенное по про- странству Дискретный Пассивные Помехи, связанные с входными величинами Необходимо дать некоторые пояснения к классификационным признакам входных величин. Количество величин i определяется суммой всех (в том числе однородных) величин. При t^2 входные величины могут быть как независимыми, так и взаимосвязанными. Заметим, что взаим- ная связь между исследуемыми величинами может быть весьма разнообразной. Входные величины могут изменяться во времени и быть рас- пределенными в пространстве. В этих случаях следует говорить об исследуемых процессах, временных или пространственных функ- циях. Под активными подразумеваются величины, способные оказы- вать энергетические воздействия на входные устройства системы. К ним, например, относятся электрический ток и напряжение, ионизирующие, световые, тепловые излучения, механические си- лы, давления и т. д. Пассивны такие величины, как сопротивления электрических цепей, механические сопротивления, твердость, жесткость и т. п. В табл. 2.1 речь идет о внешних по отношению к ИИС поме- хах. Часто они неотделимы от входных величин, так как физиче- ски вызываются теми же явлениями. Разграничение их с изучае- мыми величинами во многих случаях связано со значительными трудностями. Помехи могут характеризоваться теми же признака- ми, что и измеряемые величины; здесь же они лишь разделяются на независимые от входных величин и с ними связанные.
Первые три классификационных признака позволяют подойти к ориентировочному разделению областей использования различ- ной степени сложности технических средств измерительной ин- формационной техники (ИИТ). В табл. 2.2 приведены основные разновидности входных ве- личин, характеризующиеся их количеством i и аргументами (/ — Таблица 2.2. Основные разновидности входных величии Сосредоточенные и неизмен- ные Изменяющиеся во времени Распределенные по про- странству q <7(0 <7(0 <7 (ЛО {?ih=i,2 п 2 {#t (0}г=1,2, ... , и» 2 {<7; (0)1=1,2,..., п>2 {<71 (0 0)1 = 1,2, ..., П^2 время, s — пространственная координата). Заметим, что входные величины могут быть дискретными: qi(tj, se), где 1 = 1, 2,..., п, 1=0, 1,..., N, 1=1, 2, 3. Согласно этой таблице можно выделить характерные области- измерение одной величины (t=l) реализуется, как правило, при- борами; измерение множества величин {qi(t, s)}, i^2, в большин- стве случаев реализуется ИИС. Дальнейшая детализация области использования ИИС может быть проведена при рассмотрении вида выходной информации и других классификационных признаков. 2.2. РАЗДЕЛЕНИЕ ИИС ПО ВИДУ ВЫХОДНОЙ ИНФОРМАЦИИ Функциональное назначение определяет вид выходной инфор- мации ИИС. По виду выходной информации ИИС прежде всего могут быть разделены на измерительные системы, на выходе которых полу- чается измерительная информация (именованные числа, их отно- шения), и на системы, которые выдают количественные суждения о состоянии исследуемых объектов, — контрольные, диагностиче- ские, распознающие. Остановимся на основных разновидностях измерительных си- стем. В метрологии и измерительной технике принято считать, что процесс измерительного эксперимента обязательно включает из- мерительные и, как правило, вычислительные процедуры. Под из- мерительными процедурами понимаются в первую очередь вос- приятие входных величин и преобразование измерительных сигна- лов, сравнение непрерывных сигналов с мерами и получение
цифровых значений этих сигналов. К вычислительным процеду- рам относятся математические преобразования аналоговых, дис- кретных и цифровых сигналов в процессе измерения. Здесь уместно отметить, что специалисты в области ПИТ большое внимание уделяли и уделяют созданию новых измери- тельных средств, в которых совместно выполнялись бы операции измерения и обработки информации. По существу ваттметры,, счетчики электрической энергии, мостовые измерительные устрой- ства, компенсаторы переменного тока, цифровые вольтметры пе- ременного тока и т. п. являются устройствами, в которых опера- ции измерения и обработки выполняются неразрывно. Больше того, если проанализировать работу любого, даже простейшего средства измерения, то в нем всегда можно найти операции обра- ботки. Так, например, электроизмерительные магнитоэлектриче- ские приборы, как правило, выполняют операции фильтрации и усреднения динамических составляющих, имеющихся в измеряе- мой величине или накладывающихся на нее. В настоящее время в состав ИС часто входят микропроцессо- ры, малые ЭВМ. и другие вычислительные устройства; в некото- рых ИС измерительные и вычислительные процедуры выполня- ются одновременно и неразрывно (см. мультиплицированные ИС, аналого-цифровые коррелометры, функциональные аналого-цифро- вые преобразователи и т. п.). Однако если не ограничить объем и характер применяемых вычислительных процедур, то область действия измерительных систем может быть неоправданно широка. В работе К. Б. Карандеева («Электричество», 1949) отмечает- ся, что «измерение начинается с установления цели измерения (искомого параметра) и оканчивается получением результата, включая в себя, в качестве составной части, измерительный про- цесс. ..». Под целью измерения при этом понимается физическая величина, количественная оценка которой в конечном счете явля- ется задачей всего исследования. Остановимся на определении основных целей измерения. Во-первых, измерение может быть направлено на нахождение значений входных величин (длины, массы, температуры, тока и т. п.). В этом случае, если учитывать характер взаимосвязи между входными величинами, то можно выделить ИС, предназначенные для измерения следующих величин: независимых входных величин X={[xi], [х2],..., [хп]}. Заме- тим, что в этом случае процесс измерения заключается в нахо- ждении цифровых значений этих величин; входных величин (?i, qz, ,Цп), непосредственное раз- дельное измерение которых невозможно. Во-'вторых, могут быть установлены цели измерения, связан- ные с измерением следующих физических величин: функций от входных величин f (X) или f (DX) .
Пример-: ИС, предназначенные для измерения мощности, скорости, удельного веса; параметров зависимости {Д[Х(Л)]} входных величин Х(Л) = х2(К2),... ,хп(?.п) от заданного аргумента Л=Л[, 2.2, • • • > hn- Пр им ер: ИС, предназначенные для измерения коэффициен- тов корреляции, спектральной плотности мощности, температур- ных коэффициентов сопротивления и т. п. В соответствии со сказанным целесообразно выделить ИС независимых входных величин, ИС зависимых 'величин, ИС функ- ций от входных величин и ИС параметров зависимостей входных величин. Среди последних большую роль играют статистические- ИС. Здесь перечислены названия классов ИС, которые приняты да- лее при изложении материала по ИС. Каждая же конкретная ИС в названии может содержать цель измерения, например система для измерения температур, напряжений, корреляционная или спектральная система. Выше были рассмотрены ИС, которые являются основной раз- новидностью ИИС и, как правило, входят в любой из них. Рассмотрение же контрольных, диагностических и распознаю- щих систем производится в ч. 4Б. 2.3. КЛАССИФИКАЦИЯ ИИС ПО ПРИНЦИПАМ ПОСТРОЕНИЯ. РОЛЬ ЭВМ В обобщенной структурно-функциональной схеме ИИС (см, рис. 1.1) показаны основные блоки ИИС и их взаимосвязь. Дале- ко не всегда необходимо использовать весь приведенный на рис. 1.1 состав блоков в конкретных системах. Нужно также иметь в виду, что для выполнения одних и тех же функций могут быть созданы- системы, существенно различающиеся по структуре и алгоритму ра- боты. Число возможных структурных вариантов систем при указан- ном на рис. 1.1 количестве функциональных устройств будет очень большим. Классифицировать это многообразие возможных струк- тур для ИИС в целом весьма затруднительно. Видимо, рациональ- но рассмотреть структуры измерительных, контрольных и других систем отдельно, в соответствующих частях книги, выделив основ- ные функциональные элементы этих систем. В общей же класси- фикации ИИС целесообразно остановиться на наиболее общих принципах их построения (табл. 2.3). Сделаем краткие пояснения к классификационным признакам-- этой таблицы. Наличие специального канала связи, обеспечивающего передачу качественной информации от объекта, находящегося на большом расстоянии, приводит к необходимости решения ряда специфичес- ких вопросов. В соответствии с этим нужно выделить специальный
Таблица 2.3. Классификация принципов построения ИИС Классификационный признак Классы Наличие специального канала связи Порядок выполнения операций получе- ния информации Агрегатирование состава системы Использование стандартного интер- фейса Наличие программно-управляемых вы- числительных устройств (микропроцессо- ры, малые ЭВМ и пр.) Наличие контуров информационной об- ратной связи Изменение скоростей получения и вы- дачи информации Сигналы, используемые в ИИС Структурная и информационная избы- точность Адаптация к исследуемым величинам Отсутствует Последователь- ный Агрегатирован- НЫЙ Не используется Отсутствуют Разомкнутые системы Без изменения (в реальном вре- мени) Аналоговые Безызбыточные системы Неадаптивные системы Имеется Параллельный Неагрегатирован- ный Используется Имеются Компенсацион- ные (одно- и много- контурные системы) С изменением скоростей Кодоимпульсные Избыточные системы Адаптивные системы класс телеинформационно-измерительных систем (ТИИС)—ИИС дальнего действия. Выполнение последовательно или параллельно операций полу- чения информации во многом определяет количество элементов системы, быстродействие, надежность и т. п. Измерительная ин- формационная система может состоять из частей, в которых после- довательность операций получения или преобразования информа- ций может быть различной. Естественно, в системе для перехода от параллельного к последовательному выполнению преобразова- ний информации и наоборот должны использоваться соответствую- щие согласующие устройства. Использование пригодных для совместной работы функцио- нальных блоков агрегатных комплексов ГСП и стандартных циф- ровых интерфейсов существенно определяет многие характеристи- ки ИИС. Более подробно это рассматривается в гл. 3 и 5. Наличие в составе программно-управляемых цифровых вычис- лительных средств (микропроцессоров, малых ЭВМ. и т. п.) явля- ется очень важным классификационным признаком. Система, со- держащая такие средства, обладает определенной универсаль- ностью, так как при соответствующем программном обеспечении может (при ограниченном быстродействии) выполнять функции систем различного назначения. Измерительные информационные системы, содержащие такие вычислительные средства, называют измерительно-вычислительными системами (ИВС), а ИВС, создаваемые потребителями из стандартных устройств для
решения локальных экспериментальных задач,—л скальными ИВС (ЛИВС). В ИВС можно выделить универсальное ядро, в которое входят часть аналоговых преобразователей (например, коммутаторы) г аналого-цифровые преобразователи, часть цифровых преобразова- телей (цифровые коммутаторы и устройства памяти), ЭВМ, набор устройств отображения и регистрации информации, средства ин- терфейса и устройства, формирующие воздействия на исследуемый объект. Это ядро цифровых ИИС получило название измери- тельно-вычислительных комплексов (ИВК). В Совет- ском Союзе организован промышленный выпуск нескольких раз- новидностей ИВК (см. гл. 9). Измерительно-вычислительные системы при известных условиях могут создаваться на базе управляющих вычислитель- ных машин (УВМ) и комплексов (УВК), имеющих в своем: составе ЭВМ (см. гл. 14). В некоторых частных случаях (например, при измерении электрических величин) технические средства ИВС и ИВК могут совпадать, а отличие между ними будет заключаться лишь в про- граммном обеспечении. Наличие контура обратной информационной связи позволяет организовать компенсационные методы измерения, позволяющие получить более высокие точностные характеристики. Изменение скоростей получения и выдачи информации в ИИС возможно главным образом при использовании запоминающих устройств (ЗУ). Оно может быть, например, применено для быст- рого запоминания значений исследуемых величин и медленной вы- дачи информации и наоборот. Введение адаптации ИИС к исследуемым величинам, структур- ной и информационной избыточности в целях повышения надеж- ности, помехоустойчивости, точности, гибкости работы и т. п. ти- пично для системотехники. Можно предполагать, что дальнейшее развитие ИИС во многом будет зависеть от решения этих вопро- сов. Приведенная классификация используется и при необходимос- ти конкретизируется в остальных частях книги.
Часть вторая ТЕХНИЧЕСКИЕ СРЕДСТВА ИИС (системное оборудование) Глава 3 АГРЕГАТНЫЙ КОМПЛЕКС СРЕДСТВ ЭЛЕКТРОИЗМЕРИТЕЛЬНОЙ ТЕХНИКИ ГОСУДАРСТВЕННОЙ СИСТЕМЫ ПРОМЫШЛЕННЫХ ПРИБОРОВ И СРЕДСТВ АВТОМАТИЗАЦИИ 3.1. ГОСУДАРСТВЕННАЯ СИСТЕМА ПРИБОРОВ. ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ Принципиальные положения, лежащие в основе государствен- ной системы приборов (ГСП), отражают техническую политику, направленную на удовлетворение основных потребностей народно- го хозяйства в современных технических средствах автоматизации [3.1]. В настоящее время ГСП ориентируется на обеспечение по- требностей не только промышленности, но и науки, медицины и др. Работы по созданию ГСП в СССР были начаты в конце 50-х годов. Основной результат этой работы характеризуется тем, что в составе ГСП в настоящее время выпускается более 2000 типов промышленных приборов и средств автоматизации, большое коли- чество АСУ в промышленности выполнено на базе технических средств ГСП, создана техническая и методологическая база (в -области ГСП выпущено более 200 государственных стандартов, законодательно закрепивших основные положения ГСП), необхо- димая для дальнейшего развития автоматизированных систем управления. Основная идея ГСП заключается в том, что при построении автоматизированных систем управления используются типовые .алгоритмы измерения, контроля, диагностики, управления, реали- зуемые на ограниченном базисе технических средств, которые мо- гут компоноваться методом агрегатирования. Применение принципа агрегатирования в ГСП предусматрива- ет создание сложных устройств из более простых унифицирован- ных изделий методом их наращивания и стыковки. Важное преи- мущество агрегатирования связано с возможностью совершенство- вания отдельных изделий ГСП без полного их обновления. Состав типов устройств ГСП и их характеристики определяют- ся параметрическими рядами изделий. При выявлении таких рядов проводились унификация и стандартизация входящих в них изде-
лий. Эта работа привела к существенному уменьшению трудоем- кости изготовления изделий. ГСП—совокупность изделий, предназначенных для получения, обработки и использования информации, обеспечивающих инфор- мационное (метрологическое и функциональное), энергетическое и конструктивное сопряжение изделий в автоматизированных систе- мах управления и экспериментальных исследований, а также эко- номически целесообразные точность, надежность и долговечность. Для реализации информационной, конструктивной и энергетичес- кой совместимости изделий ГСП разработано соответствующее методическое, математическое и метрологическое обеспечение. Под методическим обеспечением подразумеваются главным образом рекомендации по применению ГСП для построения и использова- ния систем управления. Математическое обеспечение совершенно необходимо для систем с программным управлением, включающих ЭВМ. Метрологическое обеспечение должно служить достижению и гарантированному поддержанию уровня метрологических харак- теристик как изделий ГСП, так и систем, созданных на их основе. Все основные технические средства получения и обработки ин- формации ГСП создаются в составе отличающихся по функцио- нальному назначению, области применения или по принципу дей- ствия агрегатных комплексов. Агрегатные комплексы объединяют взаимосвязанные между собой изделия по их назначению, принципу действия, основным техническим характеристикам, конструкции и технологической ба- зе. Совокупность этих изделий должна обеспечивать выполнение задач, стоящих перед комплексами. В ГСП входят и выпускаются промышленностью более 20 агрегатных комплексов. Принципы организации, в значительной мере конструктивно-элементная база и нормативная документация являются общими для всех агрегат- ных комплексов. Это составляет основу для совместного использо- вания изделий различных агрегатных комплексов. Государственная система приборов—развивающаяся система. В ней постоянно происходит уточнение состава агрегатных комп- лексов, элементной базы, вопросов совместимости изделий, введе- ние новых законодательных документов и т. п. Большинство агре- гатных комплексов подвергалось за время существования коренной модификации, и можно предполагать их дальнейшие изменения. К агрегатным комплексам широкого применения, изделия которых могут быть использованы для создания ИИС, входящих как в со- став АСУ технологическими прогрессами, так и в автоматизиро- ванные системы научных исследований и комплексных испытаний сложных объектов, относятся в первую очередь агрегатные комп- лексы^ средств электроизмерительной техники (АСЭТ), телемехани- ческой техники (АСТТ), вычислительной техники (АСВТ), комп- лекс технических средств локальных информационно-управляюгцих систем (КТС ЛИУС). В настоящее время Центральный научно-исследовательский институт технико-экономической информации приборострое-
ния (ЦНИИТЭИ приборостроения) издает каталоги изделий I СП, которые могут быть использованы при проектировании ИИС. Да- лее рассматриваются лишь основные сведения о составе и особен- ностях построения АСЭТ—агрегатного комплекса средств электро- измерительной техники, одна из главных областей действия кото- рого связана с созданием ИВК и ИИС. В 1961 г. было принято решение об организации совместной работы стран—членов Совета Экономической Взаимопомощи по со- зданию Международной универсальной системы автоматического контроля, регулирования и управления (УРС). Главной целью создания УРС было обеспечение стран социализма техническими средствами автоматизации. Работы по УРС ведутся странами — членами СЭВ согласован- но и в тесном сотрудничестве. В ГДР основные положения УРС реализованы в универсальной системе приборов и устройств для сбора, передачи, обработки и использования информации при автоматизации технологических процессов (УРСАМАТ). На основе устройств УРСАМАТ созданы разнообразные систе- мы автоматического контроля и регулирования, которые находят широкое применение в различных отраслях народного хозяйства ГДР. Опыт использования системы УРСАМАТ в ГДР показал ее высокую эффективность, выражающуюся в резком сокращении сроков разработки установок для автоматизации производственных процессов, снижении примерно на 30% расходов на обслуживание и ремонт и т. п. 3.2. АГРЕГАТНЫЙ комплекс средств электроизмерительной ТЕХНИКИ Агрегатный комплекс АСЭТ ГСП объединяет устройства сбора и преобразования измерительной информации (первичные и уни- фицирующие преобразователи электрических и магнитных вели- чин, усилители, коммутаторы, аналого-цифровые и цифро-аналого- вые преобразователи и т. п.), электроизмерительные приборы, устройства отображения информации, измерительно-вычислитель- ные комплексы универсального и специального назначения. Головной отраслевой организацией по агрегатному комплексу АСЭТ является Всесоюзный научно-исследовательский институт электроизмерительных приборов (ВНИИЭП) Всесоюзного произ- водственного объединения «Союзэлектроприбор» Минприбора СССР. По существу, большая часть электроприборостроительной про- мышленности Советского Союза производит изделия АСЭТ ГСП. За относительно короткий срок были реализованы АСЭТ первой и второй очереди [3.2], разработаны и приводятся в жизнь основ- ные положения АСЭТ третьей очереди (АСЭТ-Ш). В настоящее время 75% всех типов электроизмерительных устройств выпуска- ется с применением электронной техники, обеспечивается изморе-
ние 80 электрических величин. В рамках АСЭТ-I и АСЭТ-П созда- но два поколения более 500 типов функционально и конструктивно законченных изделий, был принят ведомственный интерфейс ЕИ-1; элементная база ограничивалась микроэлектронными схемами с малой и средней степенями интеграции [3.2]. Возможность исполь- зования БИС, микропроцессорных комплектов и микро-ЭВМ, объе- динения функциональных блоков с помощью стандартных прибор- ного интерфейса и интерфейса КАМАК (см. гл. 5), серьезное раз- витие устройств отображения информации—все это привело к не- обходимости разработки и реализации АСЭТ-Ш. В АСЭТ-Ш со- зданию системных средств, позволяющих более полно использо- вать принцип агрегатирования и комплектовать измерительные комплексы и завершенные системы из изделий АСЭТ-Ш, отводит- ся центральное место [3.3]. Важная особенность современных ИИС связана с их програм- мно-алгоритмическим обеспечением. В АСЭТ-Ш расширяется ра- бота в этом направлении. Многие изделия АСЭТ-Ш строятся с использованием микро- процессорных комплектов и БИС, что может позволить создавать на их базе двухуровневые системы с децентрализованным управле- нием работой первой ступени (см. гл. 5). В АСЭТ-Ш предусматривается введение системы унифициро- ванных типовых конструктивов (УТК-2), обеспечивающих конст- руктивную совместимость изделий АСЭТ. Информационная совместимость изделий АСЭТ-Ш обеспечива- ется применением унифицированных сигналов, соответствующих международным стандартам, а также стандартных интерфейсов. Эксплуатационная совместимость изделий АСЭТ-Ш определена ГОСТ 12997-76 и ГОСТ 22261-76 на общие технические требования к изделиям и ГОСТ 13216-74 на их надежность. Разработаны системные метрологические характеристики, определяющие метрологическую совместимость изделий АСЭТ, создается специальная метрологическая аппаратура (см. гл. 22). Структура АСЭТ-Ш [3.3] представлена на рис. 3.1—3.3 (где звездочкой отмечены блоки и виды преобразований, которые вы- полняются в интерфейсе стандарта КАМАК). В АСЭТ-Ш предусматривается изготовление функциональных блоков в исполнении как приборном, т. е. в завершенном конст- руктивно и энергетически, так и модульном, позволяющем выпол- нять назначенные функции только при объединении с соответствую- щими блоками (питания, управления). Приборные функциональ- ные блоки могут объединяться с помощью приборного интерфейса, а модульные—интерфейса стандарта КАМАК. Расширяются разработка и выпуск в АСЭТ-Ш функциональ- ных блоков, которые выполняют заданные функции программным способом. Такие функциональные блоки содержат, как правило, в своем составе микропроцессоры и являются разновидностью изме- рительно-вычислительных средств.
Измерительно-вычислительные средства позволяют существен- но усилить функциональные возможности изделий ГСП, увеличить удельный вес сложных алгоритмов измерения, позволяющих улуч- шить метрологические характеристики (путем автокоррекции, са- мокалибровки и т. д.), и получать количественные оценки зависи- мостей и функций от входных величин. При анализе функциониро- вания ИВС особо обращено внимание на участие процессоров в реализации измерительных процедур, в получении результатов измерений. Для построения широкого класса систем необходимы унифици- рующие преобразователи сигналов датчиков неэлектрических вели- чин, преобразователи параметров электрической энергии и другие аналоговые функциональные устройства. Состав таких устройств в АСЭТ-Ш представлен на рис. 3.1. В этом комплексе предусмот- рена довольно обширная номенклатура аналоговых измерительных преобразователей с улучшенными характеристиками. В частности, предполагается, что погрешность измерительных преобразователей будет доведена до ±0,2% при постоянной времени до 0,1—0,5 с. Предусматривается, что групповые унифицирующие преобразо- ватели (до 30 типов) для тензометрических мостов, термопар и термометров сопротивления будут иметь класс точности 0,2—1,0 и время установления показаний примерно 0,1—1,0 с. Измерительные коммутаторы (рис. 3.2) составляют около 15— 20% объема всего оборудования ИВК и ИИС. Серийный коммутатор Ф7078 с узлом приборного интерфейса имеет основную погрешность коммутации ±0,001 и ±0,05%., вре- мя коммутации 5 мс и 5 мкс соответственно на контактных и бес- контактных ключах, число коммутируемых напряжений (10 В) от 100 до 1000. Коммутатор Ф7076 имеет примерно такие же погрешности и быстродействие. Количество коммутируемых напряжений колеб- лется в пределах от 32 до 16000, может быть организована матрич- ная структура, содержащая до десяти матриц 10X10. Наработка на отказ составляет 5000 ч. Намечается выпуск унифицированного модульного коммутато- ра с микропроцессорным управлением. Развитие аналого-цифровых преобразователей (АЦП) связано с дальнейшим улучшением технических характеристик: для устройств поразрядного уравновешивания—14 разрядов, класс до 0,02—0,005, время измерения 40—100 мкс; для преобразователей с аналоговым ЗУ—8 разрядов, класс 0,5, время измерения 0,05 мкс либо класс 0,2, время измерения 3 мкс. В АСЭТ-Ш предусматривается создание аналого-цифровых из- мерительных блоков, объединяющих аналоговые коммутаторы, АЦП и микропроцессоры. Нужно подчеркнуть, что, видимо, раз- работка и выпуск аналого-цифровых измерительных блоков, обла- дающих различными характеристиками, должны занять заметное место в продукции АСЭТ.
J=,J~ - -F-, V> R-> Кизоп J=/f L/= f/u= J= j_ u~ f Рис. 3.1. Аналоговые функциональные устройства АСЭТ-Ш U~, f ) Ц>, Ami Ф) В R,L,C R,L,C /и^ч J-j /J2. Рис. 3.2. Аналого-цифровые электроизмерительные средства АСЭТ-Ш Цифро-аналоговые преобразователи (ЦАП) необходимы как для создания АЦП, так и для выполнения автоматических пове- рок. Предусмотрен выпуск ряда таких преобразователей. Цифровые измерительные приборы (ЦИП) представляют зна- чительную часть изделий АСЭТ-Ш. Следует отметить, что пре- дусмотрено создание ряда ЦИП с микропроцессорами, в том чис- ле комбинированных. Аналоговые устройства измерения (рис. 3.3,а) необходимы для промышленных ИИС. Они устанавливаются на щитах и пультах управления. Помимо традиционных направлений улучшения конст-
руктивного оформления таких устройств здесь намечена работа по применению оптоэлектронных приборов с газоразрядными, свето- диодными, жидкокристаллическими шкалами. Предполагается к 1990 г. заменить ими 60—70% выпуска стрелочных приборов. Готовятся к выпуску новые самопишущие многоканальные при- боры, в том числе двухкоординатный прибор Н307, имеющий раз- меры поля записи 200X300 мм и погрешность ±0,5%. В номенклатуру АСЭТ включены знакоцифровые катодолюми- несцентные индикаторы Ф7097, содержащие 16 табло на 44 знако- места, индикатор Ф7099, имеющий 16 каналов, шкалу на 50 деле- 'й) 5) Рис. 3.3. Аналоговые устройства измерения (а) и представления инфор- мации (б) ний и цифровое табло на 6 знакомест, малогабаритный дисплей для отображения гистограмм и результатов допускового контроля, устройства отображения графиков, гистограмм и текста, содержа- щих до 768 символов в кадре и 7 цветов, и другие изделия (рис. 3.3, б). Регистрирующее устройство на термочувствительной бумаге Щ68401 отличается высокой скоростью печати (180 строк/мин) при 64 разрядах в строке, цифровой магнитный регистратор—ско- ростью записи 2 кбайт/с при записи байта в строке и продольной плотностью записи 100 бит/мм. В АСЭТ-Ш также предусматривается создание микроэлек- тронных интегральных микросхем для электроизмерительной тех- ники (пленочных резистивных схем, операционных усилителей, стабилизаторов напряжения, АЦП, программируемых системных устройств и т. п.). В комплекс включены средства управления и связи между функциональными блоками систем. К ним относятся блоки управ- ления — ручные и автоматические (с микро-ЭВМ), групповые ин- терфейсные узлы, расширители шин, мультиплексоры, таймеры и т. п. В состав АСЭТ-Ш входят ИВК, которые могут создаваться из системных средств как в приборном, так и в функционально-мо-
дульном оформлении, налого-цифровые измерительные олоки и ИВК будут рассмотрены в гл. 8 и 9. .Завершая краткое описание агрегатного комплекса АСЭТ-Ш, следует отметить, что для его дальнейшего развития нужна уско- ренная методологическая разработка вопросов совместного выпол- нения в изделиях комплекса измерительных и вычислительных процедур, усиленная работа по созданию интеллектуального про- граммного обеспечения для средств измерения с микропроцессо- рами и ЭВМ, а также разработка изделий, основанных на исполь- зовании больших и сверхбольших интегральных микросхем. Глава 4 УСТРОЙСТВА ОТОБРАЖЕНИЯ И ХРАНЕНИЯ ИНФОРМАЦИИ В ИИС Отображение (индикация, сигнализация) — визуальное представление чело- веку-оператору количественной информации, необходимой для его общения с ИИС. Регистрация количественной (измерительной, контрольной, служебной) информации связана с записью и долговременным хранением этой информации в форме, пригодной для непосредственного восприятия ее человеком-оператором. Устройства оперативной памяти используются в ИИС для временного, опе- ративного накопления информации. Устройства отображения и хранения информации являются системным обо- рудованием, в значительной степени определяющим качество ИИС. Поэтому це- лесообразно сконцентрировать данные по основным типам этих устройств с уче- том специфики их использования в ИИС, проявляющейся в массовости и много, мерности информации, наличии ЭВМ и программируемых устройств. 4.1. ИНДИКАЦИЯ В ИИС Индикация (визуализация) непрерывных и дискретных величин связана с их преобразованием в линейные или угловые перемещения, изменения площади или других параметров, удобных для зрительного восприятия [4.1, 4.2]. Информационные возможности восприятия визуальных аналоговых сигна- лов можно оценить количеством градаций, которые уверенно различаются опе- ратором. Приведем грубую оценку информационной возможности для следую- щих наиболее распространенных форм аналоговых визуально воспринимаемых сигналов: длина линии — 4—6, площадь — 3—5, ориентирование линий — до 16, тип линий (сплошные, пунктирные и т. п.) —4-—5, цвет — до 10 градаций. Резко- повышается информационная возможность восприятия аналоговых сигналов при введении мер (в виде сеток, штрихов с известными расстояниями между ними и т. п.), с которыми можно сравнивать аналоговую величину. Типичным для индикации одной измеряемой величины является использо- вание линейных и угловых шкал. Для одновременной индикации относительно- ольшого количества величин в измерительных системах используются малога- аритные измерительные и контрольно-измерительные стрелочные приборы, ли-
шейные газоразрядные индикаторы, матричные средства индикации, электронно- лучевые трубки (ЭЛТ) и др. Инженерно-психофизиологические оценки групповых индикаторов показы- вают, что они позволяют оператору быстрее воспринимать информацию по сравнению с представлением тех же величин с помощью индивидуальных шкал и резко уменьшать размеры пультов и щитов операторов. На рис. 4.1 представ- лены шкалы групповых индикаторов для приборов типа АСК (а), линейных газоразрядных индикаторов (б), матричных индикаторных устройств (в) и ЭЛТ (г—е). Рис. 4.1. Типы шкал групповых индикаторов измерительной информации: •а — шкалы групповых показывающих приборов типа АСК; б — газоразрядные индикаторы; •s — матричные индикаторы; г—е •— индикация иа экранах ЭЛТ В ИИС используются устройства отображения непрерывных сигналов с сим- волическим представлением реальной обстановки, отражающим, например, поло- жение движущегося аппарата относительно заданного направления [4.2]. Представляет интерес техника трехмерной индикации, позволяющая воспро- изводить поведение измеряемых величин в пространстве или наглядно предста- вить взаимосвязь нескольких величин. Для построения объемных изображений используются: вращающееся зеркало с освещением (мгновенным) определенных точек; прочерчивание и окраска следа в объемном прозрачном составе (например, пузырьковая камера для визуализации траектории движения частиц). К устройствам с заранее сформированными знаками относятся оптические проекционные устройства, световодные индикаторы, газоразрядные индикаторы, знаковые ЭЛТ типа характрон, содержащие матрицу с трафаретами знаков, и другие в меньшей степени используемые в ИИС устройства. К устройствам, в которых производятся синтез и последующая визуализа- ция знаков, относятся люминесцентные и полупроводниковые многоэлементные индикаторы ЭЛТ и экраны [4.1, 4.2]. Индицирующие устройства с заранее сформированными знаками описаны в многочисленной литературе. Остановимся на широко используемых в современных ИИС универсальных индикаторах, основанных на точечном описании отображаемых знаков или не- прерывных величин. Для управления индикацией при этом используется цифро- вая техника. В качестве универсального индикатора наиболее часто применяется
телевизионная ЭЛТ. Это объясняется в первую очередь высокой эффективностью' и быстродействием катодолюминофоров, относительной простотой управления ЭЛТ. По стандартному телевизионному растру по горизонтали количество раз- личимых градаций N=500h, где h — половина расстояния между соседними зна- ками. Если знак отображается 7X5 элементами, то по горизонтали можно раз- местить до 64 знаков. Для ЭЛТ с отношением сторон 4/5 и расстоянием между строками 2 h ко- личество строк равно 32. Следовательно, на ЭЛТ при принятых данных может быть размещено Q=32-64=2048 зна- ков. Если принять размер знаков (с промежутками) 6X3,5 мм, то можно для размещения 2048 знаков использо- вать ЭЛТ с размером по диагонали 400. мм. Чтобы изображение казалось непо- движным, необходимо производить мно- Рис. 4.2. Структурная схема экран- ного пульта (дисплея) гократную регенерацию знаков (обычно с частотой 25 или 50 Гц) и использо- вать люминофоры с послесвечением в течение 30—40 мс. Если в памяти хранить состояние каждого элемента, то необходимо пользоваться ЗУ большой емкости (при при- веденных данных емкость ЗУ должна быть примерно 10 Кбайт для одного' кадра). Уменьшить емкость памяти можно, используя микропрограммы знаков. Для отображения как аналоговой, так и знаковой информации с помощью ЭЛТ, для общения оператора с системой широко используются так называемые экранные пульты-дисплеи. Экранные пульты содержат электронно-лучевые труб- ки, устройства памяти, генераторы изображений, клавиатуру Кл для ввода информации и управления работой пульта, включающую также устройство для изменения положения метки-указателя на экране, светового, ультразвукового или электронного пера П (рис. 4.2). Серийно выпускаются экранные пульты для отображения алфавитно-цифро- вой (например, ЕС-7061, ЕС-7063, «Видеотон-340»), графической одноцветной (например, ЕС-7064, ЭПГ-СМ) и многоцветной (например, терминал А543-11 СМ) информации. В них применяются электронно-лучевые трубки различных разме- ров экрана (часто 250, 430 мм по диагонали), на котором можно разместить 1024, 2048 знаков или 1024X1024 точек. Клавиатура пультов позволяет осущест- вить ввод букв и цифр, а также до 40 символов и других функциональных зна- ков (обычно до 50—70 клавиш). Экранные пульты содержат оперативную буферную память емкостью не- сколько килобайт. Построение кадра изображения в таких пультах выполняется за время от 1 до 60 мкс. Изображение на экране регенерируется в большинстве случаев с частотой 50 Гц. Большинство экранных пультов рассчитано на работу с ЭВМ на расстоя- нии, не превышающем 20 м. Однако имеются дисплейные комплексы, объединяю- щие работу нескольких экранных пультов — терминалов, которые могут разме- щаться от ЭВМ на расстоянии до нескольких сот метров.
Так называемые интеллектуальные экранные пульты включают в свой со- став микро-ЭВМ, а также стандартную периферию (накопители информации, устройства ввода-вывода). Программное обеспечение экранных пультов обычно позволяет выполнять ^различные режимы отображения (мигание, выделение по яркости и т. п.), до- кументирования, редактирования и коррекции, изменять масштаб, сдвигать, по- .ворачивать изображение, вносить дополнительную информацию и т. п. Экранные пульты позволяют в диалоговом (интерактивном) режиме выпол- нять графические работы, связанные с компоновкой и вычерчиванием схем, кон- струкций, представление как статических, так и динамических изображений. Это позволило открыть новое направление их использования — машинную гра- фику [4.4]. Рис. 4.3. Вольт-яркостные характери- стики видеопреобразователей: 1 — светодиоды (2—5 В, 103 А/см2); 2 — лам- пы накаливания (5—24 В, 10—100 А/см2); 3— электролюминесцентные пленочные элементы (20—30 В, 0,3 А/см2); 4 — жидкокристалличе- _кие элементы (5—30 В, 0,01 А/см2); Б — га- зоразрядные панели (150—200 В, 0,1 А/см2) Для оперативного взаимодействия оператора с ИИС должны иметься со- ответствующие программы [4.1, 4.3]. К универсальным относятся также матричные индикаторы, состоящие из матрицы видеопреобразователей, обладающих релейными характеристиками и управляемых независимо друг от друга. Для точечного видеопреобразования в матричных индикаторах используют- ся светоизлучающие (лампы накаливания, светодиоды, электролюминесцентные и т. п.) и светоклапанные (электромеханические, жидкокристаллические и др.) элементы. Примерные вольт-яркостные характеристики вндеопреобразователей приве* дены на рис. 4.3 [4.4]; здесь t/ynp — напряжение управления, В — яркость, вы- ;раженная в относительных единицах. Нелинейным эффектом обладают свето- диоды, электролюминесцентные пленочные и газоразрядные индикаторы. Для использования в точечных индикаторах ламп накаливания и жидкокристалличе- ских преобразователей необходимо ввести дополнительно нелинейные элементы. 'Нужно отметить, что использование светодиодов затруднено в виду большой плотности тока, а ламп накаливания —• из-за больших постоянных времени (до секунд). Основным используемым свойством жидких кристаллов — прозрачных орга- нических жидкостей — является изменение их оптических свойств (прозрачно- сти) под воздействием электрических напряжений, тепловых потоков, давлений и механических сил. Имеются разработки жидких кристаллов, обладающих за- поминающими свойствами. Так как индикаторы на жидких кристаллах работают :по принципу отражения света, то чем ярче внешнее освещение, тем лучше видны
индицируемые знаки. Основные недостатки индикаторов на жидких кристаллах связаны с тем, что для перехода из непрозрачного в прозрачное состояние тре- буется около сотни миллисекунд. Срок службы при работе на переменном токе составляет около 10 000 ч. Промышленностью выпускаются матричные индикаторные устройства на га- зоразрядных и люминесцентных индикаторных панелях, с цифровым управлением! и памятью. Количество элементов матричных индикаторов — от 100X100 до. 512X512, частота формирования кадров — до 130 в 1 с. Имеются разработки трехцветных матричных индикаторов и индикаторов с несколькими (до 32) управляемыми дискретными градациями яркости эле- ментов. Учитывая, что аналоговый и цифровой методы представления измерительной информации имеют свои преимущества и недостатки, можно предположить, что в ИИС все большее применение будет иметь смешанное аналого-цифровое пред- ставление информации. Аналоговая форма представления информации позволяет в компактном виде отобразить непрерывные величины; цифровое представление информации может использоваться для измеряемых величин, значения которых необходимо знать в процессе измерения с повышенной точностью. Матричные индикаторы с несколькими уровнями градаций яркости могут быть использова- ны для отображения взаимосвязей между измеряемыми параметрами. Так, на- пример, отклонения измеряемых параметров от нормальных значений могут ото- бражаться яркостью свечения элементов Лх; главной диагонали матрицы A.V] я12Дх2 . . . ЧпК a21--Vl ^-*2 , • - Я2тД п Щ^Д-М ^г12ДХ2 • - . Д-Чг а яркость свечения внедиагональных элементов позволяет оценить вклад соот- ветствующих величин в отклонения измеряемых параметров. Можно предполагать, что матричные индикаторы будут быстро совершен- ствоваться и получать широкое применение. Пожалуй, наиболее полно современные достижения в области универсаль- ных средств отображения информации используются в центре управления кос- мическими полетами. В этом отношении представляет интерес книга [4.5]. 4.2. ЗАПИСЬ И ХРАНЕНИЕ ИНФОРМАЦИИ В ИИС Регистрация аналоговой информации При регистрации непрерывных и дискретных сигналов в большинстве слу- чаев используются свойства изменения состояния носителя информации под влиянием внешних механических, электромагнитных, тепловых и других воз- действий. В ИИТ большое применение помимо разнообразных самописцев имеют све- толучевые и электронно-лучевые осциллографы [4.6] с регистрацией на фото- чувствительных материалах. Выпускаемые отечественной промышленностью све- толучевые осциллографы типов Н700, Н004, Н008М, Н010М, Н017 и др. позво- ляют регистрировать со статической погрешностью до 2 % от 3 до 30 величин, имеющих частотный диапазон от 0 до 5000 Гц. Чувствительность осциллографов по току от 3,3-Юз д0 6-Ю4 мм/(мА-м). Имеются светолучевые осциллографы,
позволяющие регистрировать напряжения с частотой до 30 кГц, а также имею- щие до 50 каналов. Электронно-лучевые осциллографы Н023 с трубкой 6ЛО-2А позволяют реги- стрировать с помощью фотозаписи девять аналоговых величин в частотном диа- пазоне до 50 кГц, их чувствительность по току от 2 до 120 мм/А, по напряже- нию 0,12 мм/В. Осциллографы Н040 имеют полосу частот до 1000 кГц и шесть .каналов регистраций. К осциллографам выпускаются многоканальные усилители (например, Ф720 с коэффициентом усиления 2500). Известны попытки улучшения фотоматериалов, источников света светолуче- вых осциллографов, применения волоконных планшайб. Промышленностью вы- Рис. 4.4. Структурная схема гра- фопостроителей типа ПДС Рис. 4.5. Цифровая следящая си- стема пускаются светолучевые осциллографы типов Н115, К115, Н117 и др. с ультра- фиолетовой записью на бумагу типа УФ, не требующей химического проявления, а также с записью электрографическим способом (Н009, Н001 и др.). Применяются электронно-лучевые осциллографы с электростатической за- писью, обладающей по сравнению с фотографической записью некоторыми пре- имуществами, связанными с упрощением условий хранения и способов «проявле- ния» записанных кривых. Весьма широкое применение в ИИС имеет электромагнитная регистрация, часто используемая для оперативной памяти. Для регистрации непрерывных ве- личин в качестве носителей информации используются ленты (МЛ) с ферромаг- нитным покрытием (ширина 3,8; 6,35; 12,7; 25,4 и до 125 мм, толщина покрытия примерно 0,02 мм, диаметр ферромагнитных зерен до 0,3 мкм, коэрцитивная сила до 250 А/м), стальные лента (толщиной до 0,05 мм) и проволока. Послед- ние позволяют резко повысить плотность регистрации по сравнению с пленками, имеющими ферромагнитное покрытие. Разрабатываются способы очень плотной записи с помощью лазерного луча (доведение температуры участков до точки Кюри). Использование одновременно нескольких головок записи, расположенных па- раллельно и последовательно, позволяет регистрировать большое количество данных (до 100 процессов). При записи непрерывных процессов на МЛ обычно используются частотно- модулированные сигналы: амплитудно-модулированные сигналы ввиду влияния
неравномерности покрытия, зерен в ерромагнитном материале и неравномерно- сти движения пленки при записи и воспроизведении данных могут, если не при- нимаются специальные меры, существенно искажаться. Для записи используется в большинстве случаев размагниченная пленка (на магнитную головку при за- писи подается переменное размагничивающее напряжение), а для выбора рабо- чего диапазона записи на линейных участках кривой намагничивания подается смещающее напряжение. Использование неразмагниченной пленки нежелательно, так как высок уровень шумов при нулевых значениях сигнала. Имеется возможность осуществить визуализацию магнитной записи путем обработки ее с помощью магнитного порошка. Электрографические, термоэлектри- ческие, электрохимические регистраторы [4.7J имеют относительно невысокое быс- тродействие и находят применение в специализированных ИИС. На выходе ИИС (как и ЭВМ) используются двухкоординатные графопо- строители. Они основываются на нескольких принципах действия. По одному из них коды на входах графопостроителей преобразуются в напряжение, которое регистрируется автоматическими компенсаторами. На этом методе основаны вы- пускаемые промышленностью графопостроители типа ПДС-021 (скорость реги- страции 250 мм/с, погрешность 0,5 %, размер рабочего поля 350X250 мм), ДРП-3 (время пробега всей шкалы +100 В — 0,5 с, погрешность +0,15 %, раз- мер рабочего поля 800X800 мм). Структурная схема таких приборов представ- лена на рис. 4.4. На этой схеме ССХ и ССУ — следящие системы, ВУ — вакуум- ное устройство для закрепления бумаги. На рис. 4.4 не показано устройство для интерполяции по осям X и Y. Другой принцип — цифровое слежение за значением кода (рис. 4.5). Рабо- тает цифровая следящая система следующим образом: на входы реверсивного счетчика поступают импульсы унитарного (единичного) кода и вычитающиеся из него импульсы от датчика обратной связи ДОС, количество которых пропор- ционально линейному перемещению; образованный в счетчике код преобразуется в напряжение, приводящее в движение регистрирующий элемент. Третья возможность — построение графиков с помощью шаговых двигателей. Имеются автоматические построители графиков с шаговым двигателем со ско- ростью перемещения карандаша 4 м/с, дискретностью около 0,1 мм на 1 импульс и погрешностью +0,2 мм на формате 800 X 800 мм. В них используется линей- ный интерполятор. Наконец, применяется развертывающая регистрация при одновременном дви- жении регистрирующего элемента (или гребенки элементов) и носителя. Этот метод позволяет создавать быстродействующие построители нескольких графи- ков на одном носителе. Недостатки таких регистраторов связаны с тем, что в них регистрация осуществляется на движущемся носителе или регистрирую- щем органе, и поэтому регистрируется часто не точка, а короткий штрих. С использованием решетчатой гребенки регистрирующих элементов можно достигнуть относительно высоких скоростей регистрации (до 50 строк/с) при погрешности примерно +0,5 % и размере по оси X около +100 мм. В ряде случаев в качестве развертывающего устройства (зачастую для ви- зуального наблюдения) используют ЭЛТ. Если выполнить аналого-цифровые преобразование дискрет непрерывной «функции времени (_ ф(г: = 1+1) I[х(t)/хЩ)] 1[х(/,)/zj, а затем сделать пре- образование I[z.,-/Z(^)] <в(/=п) -]числовых значений в линейное положение све-
тового пятна с помощью, например, линейки светодиодов, то получится точеч- ное изображение кривой 1(f), эквивалентное исходной величине x(f). При правильном выборе интервалов дискретизации и скорости перемещения носителя, на котором может регистрироваться 1(f), она будет казаться непре- рывной. На одном носителе можно регистрировать одновременно несколько сиг- налов. Светодиоды могут дать световое пятно диаметром примерно 0,1 мм. Следо- вательно, на фотопленке 35 мм могут быть размещены 256 точек и более. Зна- чительно большую плотность записи можно обеспечить, используя волоконную оптику. Нужно отметить, что в направлении повышения точности, быстродействия и плотности регистрации и улучшения эксплуатационных характеристик проводятся интенсивные исследования. Запись и хранение знаковой информации Для регистрации знаковой информации используются ксерографические, фер- рографические, электрохимические, электротермические и другие устройства [4.7]. Однако наиболее широко применяются электромеханические печатающие и пер- форирующие устройства. Приведем основные характеристики цифропечатающих и перфорационных устройств. Цифропечатающие устройства (ЦПУ) регистрируют буквенную и цифровую информацию преимущественно на бумажную ленту. Цифропечатающие машинки (ЦПМ) имеют электромагнитный штанговый ударный механизм, двоично-десятичный код в них преобразуется с помощью механического дешифратора в единичный код управления электромагнитами. ЦПМ-6 обеспечивает печатание двух И-разрядных десятичных чисел (строк) в секунду. Имеются ЦПМ, печатающие до 10 строк/с. Быстродействующие ЦПМ (например, Щ68000К) обеспечивают печатание до 20—30 строк/с при 16—24 знаках в строке. Такое быстродействие обеспечивается следующим образом (рис. 4.6). На цифровом барабане ЦБ размещаются ряды цифровых матриц от 0 до 9 по N одинаковых цифр в строке. С помощью син- хронизирующего барабана СБ формируется код Zjt соответствующий коду циф- ровых матриц, находящихся на ЦБ в позиции печати. При совпадении Z, и Z, эта цифра печатается с помощью i-ro электромагнита [I(CR:Z,, Zj) <a(Zi=Zj) <D(W : Zi)], за полный оборот ЦБ будут отпечатаны цифры одной строки. Быстродействие до 50—100 строк/с обеспечивают матричные ЦПУ. В ЦПУ с количеством цифр в строке N используется неподвижный набор цифр, имею- щий 10 строк. Строки матрицы печати состоят из одинаковых цифр: 01, 02 ... ..., 0n; 1], 12, ..., 1И; 9ь 92, .... 9w- Каждая цифра печатается с помощью индивидуального электромагнита. Устройство управления печатью содержит оперативное запоминающееся устройство (ОЗУ) на 10 N ячейках памяти, 10 N устройств сравнения кодов строки и регистрируемого числа. Регистрация каждо- го числа производится за 10 шагов перемещения бумаги. При этом на каждом шаге делается выборка и печать цифр, соответствующих данной строке. Посколь- ку в ЦПУ одновременно происходит регистрация 10 чисел, то печатание п строк будет выполнено за я+9 шагов. Для ввода и вывода алфавитно-цифровой информации применяются устрой- ства «Консул-260» или ЕС-7077 и т. п. Их примерные данные: скорость печати
10 знаков /с, максимальное количество символов в строке 106, количество печа- тающихся символов 92, ширина бумажного рулона 280 мм. Для записи алфавитных и цифровых символов в ИИС используются ленточ- ные перфораторы. Для перфорации применяется бумажная лента повышенной прочности, позволяющая использовать ее для считывания не менее 50 раз. Дли- на ленты 150—300 м. Шаг перфорации 2,5 мм, количество дорожек 5—8, раз- мещение отверстий — по ГОСТ 10860-64. Таким образом, на одном рулоне может быть записано до 100 Кбайт. Плотность записи — до 20 двоичных единиц/см2. Выпускаются перфораторы ПЛ-320, ПЛ-150, ПЛ-80, ПЛ-20 (число означает ско- рость перфорации, строк/с). Считывающие устройства позволяют считывать информацию со скоростью до 1500 строк/с. гГ—---* 1 Рис. 4.6. Структурная схема быстродействующе- го печатающего устройства Для записи и хранения кодоимпульсных сигналов в ИИС широко исполь- зуются электромагнитные, полупроводниковые ЗУ, начинают применяться голо- графические ЗУ и ЗУ на цилиндрических магнитных доменах (обозначение ЦМД на рис. 4.7, где показаны емкость памяти основных ЗУ и время выборки [4.7]). Остановимся на основных характеристиках ЗУ на магнитных лентах (МЛ) и дисках (МД). Магнитные ленты имеют длину до 750 м, стандартную продольную плот- ность записи в МЛ 8,32 и 64 имп./мм, ширину дорожки примерно 1 мм, емкость 10® бит, скорость записи от 1 до 10 м/с, время пуска и остановки 5—10 мс, время поиска информации десятки секунд. ЗУ иа МД имеют емкость от 10е бит (гибкие диски) до 109 бит, количество дисков до 25 шт., число дорожек на диске до нескольких сотен. Коммутация дорожек в них производится путем перемещения магнитных головок с цифро- вым управлением. ЗУ на МД ЕС-5061 имеет 11 дисков диаметром 360 мм н обеспечивает скорость обмена 300-103 байт/с. Контроль четности обычно производится вдоль записи по блокам и поперек по строкам. Допускается одна ошибка на 109 знаков. Обнаруженная ошибка выбрасывается. Ферритовые ЗУ имеют емкость порядка 106 байт, малое время записи и вы- борки (5—10 мкс). Полупроводниковые ЗУ (см. гл. 6) имеют относительно невысокие емкости й высокое быстродействие (время записи и выборки примерно 0,1 мкс).
Время доступа, с Рис. 4.7. Емкость памяти и время вы- борки основных типов ЗУ: 1 — МЛ; 2 — МД; 3 — НМД; 4 — голографи- ческие ЗУ; 5 — полупроводниковые металло- окисные структуры; 6 — ферриты; 7 — бипо- лярные структуры; 8 — туннельные диоды Необходимо отметить, что в на- стоящее время стоимость записи одного байта для указанных ЗУ находится примерно в такой пропорции: 1 (МЛ) : 1,5 (МД) : 10—30 (фер- ритовое ЗУ) : 100 (перепрограммируе- мое ЗУ). Приведем единицы информации, при- нятые при записи в эти ЗУ. Наименьшая единица — разряд, затем слог (байт — 8 бит), слово (2, 3 или 4 байта), блок, файл, наконец, самая крупная — том. В МЛ и МД сначала производится фик- сация начала тома, затем файла и блоков, входящих в этот файл. Отмечаются с помощью маркеров окончания блоков, файлов и тома. Глава 5 СТРУКТУРЫ И СТАНДАРТНЫЕ ИНТЕРФЕЙСЫ ИИС 5.1. ОСНОВНЫЕ РАЗНОВИДНОСТИ СТРУКТУР И ИНТЕРФЕЙСОВ Структуры ИИС Все реальные ИИС могут быть представлены в виде совокуп- ности связанных между собой функциональных блоков (ФБ). Особенно отчетливо это видно в системах, созданных методом проектной компоновки из выпускаемых промышленностью функ- циональных блоков. В [5.1] под ФБ подразумеваются структурные единицы, выпус- кающиеся в составе агрегатных комплексов ГСП (см. гл. 3). Отме- тим, что в номенклатуру комплексов ГСП в качестве таких единиц входят. как однофункциональные (АЦП, ЦАП, унифицирующие преобразователи и т. п.), так и многофункциональные преобразо- ватели и комплексы (включая ИВК). Вообще под ФБ будем далее подразумевать части системы, выполняющие информационные и управляющие функции и нуждающиеся в организации совместной и согласованной работы. При этом подразумевается, что ФБ вы- полняют свои функции в законченном виде и для организации взаимодействия с другими ФБ не требуется знания их внутренних структур и особенностей функционирования. Структура любой ИИС может быть представлена совокуп- ностью ФБ и технических средств информационных, а также слу- жебных связей между этими блоками.
Объединение Ф в одноступенчатой структуре может быть вы- полнено в следующих вариантах (рис. 5.1): - а—цепочечная структура, в которой управление работой после- дующего ФБ производится после окончания преобразования в пре- дыдущем ФБ. На этом рисунке выделена цепочная схема управле- ния, включающая интерфейсные устройства (ИФУ) и шину управления. При жестком соединении блоков схема управления практически может отсутствовать; б—радиальная структура, в которой управление работой ФБ ведется централизованно от одного устройства управления; Рис. 5.1. Основные одноступенчатые структуры: g ~'Цепочечная; б — радиальная; в—д — магистральная; е — радиально-магистральная: ’ е, о, е с централизованным управлением; в, е — с децентрализованным управлением в магистральная структура с централизованным управлением; ниекц-МаГИСТРаЛЬНаЯ стРУктУРа с Децентрализованным управле- управленГИСТРаЛЬНаЯ петлевая структура с централизованным Упр^~Ра'аиальн°~магистральная структура с централизованным
Фис. 5.2. Двухступенчатая структура Кроме показанных на рис. 5.1 структур можно представить многопетлевую магистральную структуру, структуру со сложны- ми связями между ФБ и т. п. При большом количестве ФБ целесообразно организовать объ- единенную работу нескольких одноступенчатых подсистем (рис. 5.2). Подсистемы могут быть реализованы и объединены с по- мощью любого варианта из чис- ла показанных на рис. 5.1. ЭВМ второй ступени (часто мини- ЭВМ) выполняет в двухступенча- той структуре функции не только управления, но и обработки и вы- .дачи информации. Двухступенчатые магистральные структуры •с распределенными микропроцессорными средствами находят все большее применение. Основные разновидности интерфейсов Для работы ИИС необходимо организовать взаимодействие •между всеми ее ФБ. В ИИС, имеющих жесткую, неизменяемую структуру с постоян- ным составом ФБ, как правило, совместная работа ФБ обеспечи- вается индивидуальным сопряжением блоков друг с другом. Когда же необходимо в процессе эксплуатации изменять структуру или алгоритмы действия системы, унифицировать управление ФБ и об- мен информацией между ними, то во многих случаях целесообраз- шо использование так называемых стандартных интерфейсов (ПФ). .Кроме того, не вызывает сомнения, что такая унификация сопря- жения и управления ФБ позволяет существенно уменьшить трудо- емкость проектирования, затраты на эксплуатацию, облегчить ко- операцию работы многих изготовителей ФБ систем. Под ПФ ИИС подразумевается совокупность правил (протоко- лов) и программного обеспечения процесса обмена информацией между ФБ, а также соответствующих технических средств сопря- жения ФБ в системе. Любая ИИС представляет объединение аналоговых, цифровых щ аналого-цифровых ФБ. Следовательно, для ИИС нужно было бы иметь ИФ, обеспечивающие совместное действие всех названных ‘ФБ. Однако достаточно полно разработаны лишь цифровые ИФ, обеспечивающие совместную работу цифровых ФБ и цифровых частей аналоговых и аналого-цифровых ФБ. Остановимся на не- которых причинах этого положения. В современных ИИС большая доля служебной информации, не- обходимой для управления функционированием блоков системы, представляется в цифровом виде. Цифровые измерительная и вы-
числительная части занимают существенную долю в ИИС, и име- ется тенденция к их увеличению. Это определяется во многом тем,, что промышленность выпускает относительно дешевые АЦП, в том числе в .микроминиатюрном исполнении, обладающие неплохими метрологическими характеристиками, ЗУ, микропроцессоры и другие средства цифровой информационной техники. Использова- ние таких средств позволяет приблизить аналого-цифровое преоб- разование и цифровую первичную обработку информации к изме- рительным цепям с датчиками и наделить ИИС рядом существен- ных положительных качеств. Сказанное определяет то, что далее рассматриваются в основ- ном цифровые программируемые интерфейсы. Для краткости* именно этот тип интерфейсов обозначается сокращенно ИФ. Таблица 5.1. Основные признаки программируемых интерфейсов Основные признаки Граничные состояния а б А. Характер управления Б. Система шин для информационных и служебных потоков сигналов В. Организация системы шин Г. Порядок выполнения операций обмена информацией Д. Типы информационных ФБ Е. Метод обмена информацией Ж. Тип используемых ЭВМ 3. Унификация конструкции И. Унификация питания Централизо- ванное Объединенная Индивидуальная (радиальная) Последователь- ный Источники Синхронный Любой Да Да Децентрализован- ное Раздельная Коллективная (магистральная) Параллельный Приемвики Асинхронный За энный Нет Нет Перейдем к рассмотрению основных признаков классификации ИФ. Заметим, что в табл. 5.1 производится выделение основных признаков главным образом так называемого информационного- ИФ, который должен обеспечить информационную совместимость ФБ в системе. Приведем некоторые пояснения к содержанию табл. 5.1. В централизованном ИФ (Аа) осуществляется программное управление работой всех ФБ и имеется возможность изменения не только алгоритмов работы, но и состава ФБ, используемых в дан- ной ИИС. В ИФ с несколькими уровнями централизации должна преду- сматриваться стандартизация сопряжений ФБ на каждом из этих, уровней. , В ИФ с децентрализованным управлением (Аб) обработка ин- формации и обмен информацией между ФБ производится, без не- посредственного участия устройства управления. В системе опре- деляются приоритеты для каждого активного ФБ и выделяется «судья» ФБ, определяющий в необходимых случаях последова-
тельность работы ФБ. Обычно такую роль выполняет центральный процессор. Система шин может быть использована для обмена как инфор- мационными, так и служебными сигналами (объединенная систе- ма шин, Ба). Но в некоторых ИФ для прохождения информацион- ных и служебных потоков сигналов используется раздельная си- стема шин, Бб). Организация обмена информацией в таких систе- мах шин может отличаться друг от друга. Обмен информацией между ФБ в централизованных ИИС мо- жет быть осуществлен по индивидуальным (радиальным) или коллективным (магистральным) системам шин. Под шинами под- разумевается несколько линий сигналов, выполняющих определен- ные функции (передача данных, команд, адресов и т. п.). Система шин определяет совокупность шин, используемых в данном ИФ. В индивидуальной (радиальной) системе шин (Ва) для обмена информацией используются шины, связывающие блок управления системой с каждым ФБ (см. рис. 5.1,6). Коллективная или магистральная система шин (Вб) предусмат- ривает ее использование для обмена информацией между ФБ пос- ледовательно, с разделением передаваемых сообщений по времени (см. рис. 5.1,в, г). Следует заметить, что в ИФ используются и смешанные индиви- дуально-коллективные системы шин, позволяющие (за счет неко- торого увеличения технических средств по сравнению с системой коллективных шин) упростить управление, программное обеспече- ние и повысить быстродействие. При использовании магистральной системы шин обеспечивается большая гибкость в изменении соста- ва и алгоритма работы ИИС. Операции обмена информацией между ФБ могут выполняться последовательно (по битам) либо параллельно (по п бит одно- временно). При последовательном выполнении (Га) таких опера- ций для обмена информацией используется одна линия связи и происходит разделение сигналов во времени, а при параллельном (Гб)—несколько (^2) линий связи. В последнем случае реализу- ется разделение сигналов в пространстве. Нужно отметить, что на разных уровнях централизации системы при обмене информаци- ей может использоваться разный порядок выполнения этих опера- ций. Быстродействие и аппаратная сложность систем при после- довательном или параллельном порядке выполнения операций об- мена информацией существенно различаются. Функциональные блоки можно разделить на информационные и управляющие. Управляющие функциональные блоки (ФБУ), или контроллеры, выполняют функции организации обмена информа- ционными и управляющими сигналами в системе. Наличие ФБУ характерно для систем с централизованным управлением. По отношению к информационным потокам можно выделить следующие основные разновидности ФБ: ФБ—источники информации (ФБИ), предназначенные для вы- дачи информации другим ФБ системы (Да)-, примеры ФБИ —
измерительные цепи с датчиками, устройства считывания инсрор- мации с перфоленты и т. п.; ФБ—приемники информации (ФБП), служащие для получения информации от других ФБ системы (Дб); примеры ФБП—устрой- ства индикации и регистрации; ФБ—приемники и источники информации (ФБПИ), предна- значенные для приема и, после выполнения определенных преобра- зований, .выдачи информации (Да, Дб); примеры ФБПИ—АЦП, ЦАП, функциональные преобразователи, микропроцессоры, мик- ро-ЭВМ.. ФБИ, ФБП и ФБПИ могут быть активными (инициирующими), выступающими инициаторами в обмене информационными сигна- лами, и пассивными, выполняющими операции обмена информацией только по командам, поступающим извне. Степень активности ФБ может быть различной. Так, например, активные ФБ могут форми- ровать при необходимости запрос на обслуживание, адреса (свой и ФБ, с которыми нужно провести обмен информацией), прерывать работу других ФБ и т. п. Для передачи цифровой информации между ФБ возможно ис- пользовать синхронный (Еа) и асинхронный (Еб) методы. При синхронной передаче сигналов в цепи ФБИ—ФБП переда- ча и прием производятся в фиксированные моменты времени, определяемые синхронизирующими (стробирующими) импульсами, при этом размер интервалов между этими импульсами несколько превышает время, необходимое для передачи сигнала с учетом тех- нологических разбросов и дрейфа параметров устройств, входящих в канал передачи сигналов. Использование синхронного обмена ин- формацией повышает помехоустойчивость передачи информации и упрощает алгоритм действия системы. Темп обмена информацией при асинхронном методе определя- ется ФБП путем передачи от него на ФБИ сигнала квитирования об окончании приема информации. Это позволяет проводить об- мен информацией за интервалы времени, в среднем меньшие (при том же быстродействии ФБ), чем при использовании синхронного метода. Особенно эффективен асинхронный метод обмена инфор- мацией при объединении в системе ФБ, имеющих различное бы- стродействие. Некоторые ИФ рассчитаны на то, что в системе могут быть использованы любые средства обработки информации — универ- сальные ЭВМ., специализированные вычислительные устройства (Жа). Часто же ИФ обеспечивает обмен информацией в основ- ном только с данной ЭВМ (Жб). По сути дела такие ИФ органи- зуют ввод и вывод информации этой ЭВМ. Следует заметить, что в последние годы изменяется идеология построения информационных систем. До недавнего прошлого ин- женер-системотехник при построении информационных систем, предназначенных для сбора и обработки данных от объектов, рас- пределенных в пространстве, использовал преимущественно схему централизованного сбора и обработки информации с помощью
одной ЭВМ. Б таких системах обработка информации обычно произ- водится централизованно, передача и обработка информации ве- дутся с учетом приоритетов, передача информации —с разделе- нием сигналов по времени, отображение информации производит- ся на центральном пункте. К основным недостаткам таких систем можно отнести то, что их надежность определяется в основном надежностью централь- ного устройства, программное обеспечение имеет большую слож- ность, имеются затруднения с работой в реальном времени, тре- буется большое количество линий связи в системе ввода инфор- мации в ЭВМ. В настоящее время усиливается тенденция построения инфор- мационных систем, в которых функции обработки информации и управления разделяются между многими процессорами, что обес- печивает большую живучесть системы, позволяет повысить бы- стродействие, несколько упрощает программное обеспечение по сравнению с централизованными комплексами, выполненными на базе одной ЭВМ. Для управления работой вспомогательных про- цессоров в таких системах используются центральный процессор и радиальное либо кольцевое объединение ФБ системы. Развитию информационных систем такого типа способствует расширяющий- ся промышленный выпуск мини- и микро-ЭВМ, микропроцессоров и терминального оборудования. Физический ИФ ИИС должен обеспечить техническими средст- вами совместимость ФБ в системе. Для этого каждый ФБ имеет соответствующий интерфейсный узел (ИФУ), а в системе должны быть реализованы функции управления работой таких узлов. (Заметим, что в технической литературе интерфейсные узлы часто, видимо для краткости, называются интерфейсами). В некоторых случаях физический ИФ обеспечивает конструк- тивную и энергетическую совместимость ФБ. Под конструктивной совместимостью (За) подразумевается стандартизация в рамках системы используемых разъемов, плат, модулей, стоек и других конструктивов. Имеются ИФ, не накладывающие ограничения на конструктив- ное оформление ФБ и их совокупности. Унификация питания ФБ (Иа), связанная с наличием общих источников питания на группу ФБ, существенно упрощает ФБ, но, как правило, усложняет сами источники питания. Это объясняется тем обстоятельством, что источники питания должны обладать определенной универсальностью и мощностью, достаточной для питания полного набора ФБ. Многообразие информационных систем явилось основной при- чиной того, что в настоящее время разработано и продолжает раз- рабатываться большое количество ИФ [5.2, 5.3]. После тщатель- ной оценки качеств и проверки на практике лишь небольшая часть ИФ рекомендуется для широкого использования соответствую- щими международными организациями (в частности, Междуна- родной электротехнической комиссией) и оформляется законода-
тельно. Такие ИФ называются стандартными. Б Советском Союзе введены в действие Государственные стандарты на системы интер- фейсов [5.4, ,5.5]. Ниже ставится задача описания и сопоставления между собой принципов построения и основных характеристик приборного ИФ и ИФ КАМАК, ИФ малых и микро-ЭВМ, а также последователь- ного ИФ. Такой материал предназначен для начального изучения интерфейсов и может быть полезным при выборе типа ИФ, при- годного для реализации в конкретных ситуациях. Конечно, для практического использования выбранного интерфейса необходимо его детальное изучение. 5.2. ПРОТОКОЛЫ И ТИПОВЫЕ АЛГОРИТМЫ ОБМЕНА ИНФОРМАЦИЕЙ Интерфейсы должны включать материалы, регламентирующие обмен информацией в системе, на основе которых составляется соответствующая часть программного обеспечения системы. Протокол обмена информацией должен соответствовать струк- туре и принципам действия данного ИФ и может устанавливать единицу обмена информацией, формат сообщения, применяемый код, набор информационных, управляющих, сопровождающих и вспомогательных сигналов, набор интерфейсных функций, логиче- ские и временные соотношения сигналов, способ синхронизации, способ формирования и идентификации запроса на обслуживание, способ обмена сообщениями, правила адресации и способ обеспе- чения требуемой достоверности обмена информацией. Приведем краткие сведения о форматах информационных и управляющих потоков [5.1]. Информационное слово должно со- держать информационную часть, размер которой определяется точностью измерения, и может содержать сопроводительную часть, включающую сигналы состояния, диапазона измерения, идентифи- катора вида информации. Сигнал адреса вводится в информацион- ное слово при выполнении функций коммутации. Полная длина слова от ФБИ обычно не превышает 32 бит. Передача последова- тельным кодом производится начиная со старших разрядов, а при параллельной передаче—младшим разрядом по линии с наимень- шим номером. Во временном слове текущее время (доли секунды, секунды, Десятки секунд, минуты, десятки минут, часы, десятки часов) мо- жет передаваться в двоичном или двоично-десятичном коде. Адрес- ное слово (до 16 бит) должно включать условный номер изме- ряемого параметра и (или) точки пространства. Командное сло- во (до 16 бит) содержит начальный адрес (при магистральной структуре передачи командных слов), команду, расширитель команды (служит для конкретизации условий выполнения коман- ды: уточняет диапазон измерения, уровни калибровочных сигналов И Т. П.). Информационные фразы содержат адресное, временное, команд- и°е слова и одно или группу (до 64) информационных слов.
-Кадр содержит заголовок (маркер с размером кода от 15 до 32 бит)., код объекта с размером кода до 16 бит, код программы, несущий, сведения о структуре информационной части кадра и имеющий размер до четырех 16-разрядных слов, код порядко- вого номера кадра и информационную часть, объединяющую це- лое число фраз. Используя содержательные логические схемы алгоритмов (см. гл. 1), можно описать типовые операции обмена информацией в ИФ. На рис. 5.3,6 показана последовательность передачи сигналов между ФБП и активным ФБИ, у которого интерфейсный узел име- ет возможность формировать и идентифицировать сигналы своего адреса Adi(l), запрос на передачу <pi(R), формировать информа- ционное слово <I>:=Ad(l) L(L*) Т(7*) Ip), идентифици- ровать команды ФБУ и сообщения ФБП о подтверждении приема [Ad-fd)^)]--------------------------------------------*- -----------------------------------------------{[Аа0(1)Ф0№][Айп(2)Ф0М)]} -------------------------------</>z(W)----------------- ----------------------------^(W:!*)----------------*- б) -----------------------------------------------— -*-----------------------;---------------------------Ad0(A d 1) ------------------------------------------- - AdB(Adn). ---------------------------------------------- *----------------------------------------------------[Ad0(AdZ)d>0(W)] ---------------- -------------------------------------— [Ad0 (Z) Фв (W)] ---------------------------Vz(W) -------------- *----------------------------------------[AdoiOLg^T^jlo^)} *--------------------------vz(W:I*)-----------г) Рис. 5.3. Обмен информацией между ФБ и ФБП: а схема связи; б — между ФБП и активным ФБИг в *— то же без формирования адресам г — между ФВУ и ФБП
информации. Обозначения сигналов на рис. 5.3 расположены под ФБ, которые их формируют, а стрелки указывают ФБ, принимаю- щие эти сигналы. Обмен информацией начинается по инициативе ФБИ, запрашивающего разрешение на выдачу информации А«М1) <pi (К). Управляющий ФБ формирует командные слова для ФБИ Ad0(l) Фо (R) и для ФБП Ado(2) <Do(W), разрешающие пе- редать и принять информацию. После получения сигнала от ФБП <p2(W) о готовности принять информацию ФБИ формирует инфор- мационное слово <1>, включающее адрес Ad^l), диапазон и режим измерения Li, время Ti и данные L. Здесь не показаны кон- трольные, тактовые, маркерные и другие вспомогательные сиг- налы. Обмен информацией между активным ФБИ и ФБП, выполняю- щими те же функции, что и рассматриваемые на рис. 5.3,6, за ис- ключением того, что они обладают способностью не формировать, а лишь идентифицировать свои адреса, представлен на рис. 5.3,в- В этом случае, чтобы определить адрес ФБИ, запрашивающего разрешение на передачу информации, ФБУ формирует последова- тельно адреса до тех пор, пока не будет передан адрес Ad0(l). Тогда ФБИ Ad(l) должен подтвердить, что именно им сформи- рован сигнал ф] (R). Если одновременно запрос <р (R) будет выдан несколькими ФБИ, то преимущество должно быть оказано ФБИ, имеющему более высокий приоритет. В данном случае—ФБИ, адрес которого был передан ФБУ первым. На рис. 5.3,6, в принято, что установление связи между ФБИ, готовым выдать информацию, и данным ФБП определяется ФБУ. Установление такой связи может быть организовано по инициати- ве ФБИ. Однако тогда должны быть расширены функциональные возможности интерфейсного узла ФБИ. В качестве ФБИ может выступать также ФБУ (рис. 5.3,а). Тог- да СЛСА при работе по инициативе ФБУ и при адресе ФБП, рав- ном /, может принять следующий вид: [Ado(/) <Do(W)] <p3(W) [Ado(O) L0(L*)X XT0(7*) Io(/*)] <p3(W:I*). Реализация рассмотренных процедур обмена информацией мо- жет быть выполнена различными способами. При последователь- ном способе обмена информацией все составляющие алгоритма обмена информацией будут передаваться по одному магистрально- му каналу связи. Так, например, для обмена информацией между ФБИ и ФБП (при управляющем участии ФБУ) согласно рис. 5.3,6 алгоритм обмена информацией будет выглядеть следующим об- разом: [Adj(l) Ф1 (R)]{[Ad0(l) Фо(R)] [Ad0(2) X X®0(W)]}q>2(W)[Ad1(l) LJL*) TJT*) Ii (P)]<P2(W ; A).
Некоторого уменьшения общего объема передаваемой инфор мации при этом можно добиться жесткой регламентацией после- довательности передачи информации в словах. Если передача информации выполняется по предназначенным только для этого шинам, то отсутствует необходимость в сигнале, обозначающем вид передаваемой информации. При вызове какого- либо ФБ из ФБУ по радиальной линии будем пользоваться обо- значением Ad*. В этом случае для вызова ФБ достаточно одного импульсного сигнала по этой линии. Другим граничным способом в магистральной системе шин бу- дет параллельный способ обмена информацией. При этом способе для передачи каждой из составляющих алгоритма обмена инфор- мацией используются самостоятельные каналы связи. Тогда со- держание каждого слова без идентификаторов возможно передать за один такт. В этом случае суммарный объем потоков информа- ции уменьшается благодаря тому, что отсутствует необходимость передавать указатель каждого слова I, Ф, Ad, <р, L, Т и др., так как для этих слов выделены специальные шины. Однако при этом количество оборудования становится весьма большим. В большинстве существующих цифровых ИФ используется ма гистральная система шин с комбинацией последовательного и па- валлельного, синхронного и асинхронного способов обмена ин- формацией. В ряде случаев, в частности для передачи адресован- ных операторов, используется радиальная система шин. Следует еще раз подчеркнуть, что в любых ИФ реализуются типовые алгоритмы обмена информацией, а различия ИФ связаны с организацией системы шин, способом обмена информацией и возможностями интерфейсных узлов ФБ. 5.3. ИНТЕРФЕЙС С ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНЫМ ВЫПОЛНЕНИЕМ ОПЕРАЦИЙ ОБМЕНА ИНФОРМАЦИЕЙ В соответствии с принятой классификацией ИФ (см. табл. 5.1) интерфейс с последовательным выполнением операций обмена информацией (Га), который далее будет называться последова тельным ИФ, имеет магистральную систему шин Вб, состоящую из одной двунаправленной или двух однонаправленных линии сиг- налов, по которым передаются и информационные, и управляю- щие потоки (Га). В последовательном ИФ алгоритм обмена информацией дол- жен содержать типовые операции, показанные на рис. 5.3. Как уже говорилось, уменьшения объема служебной информации мож- но добиться путем регламентации последовательности и размеров передаваемых сигналов. Так, например, вместо последовательности Ad (Ad*) L(L*) Т(Г*) 1(7*) можно после проведения указанной регламентации передать Ad* L* Т* I*. Повышения быстродействия можно добиться (не увеличивая количество линий) благодаря использованию линий связи, обладающих повышенной скоростью передачи информации. Так, например, для скорости передачи ин-
формации 106 бит/с при длине линии примерно 500—1000 м целе- сообразно использовать коаксиальный кабель, а для скоростей порядка 10-10е бит/с— волоконно-оптический канал связи. Наличие небольшого количества линий связи в последователь- ном ИФ позволяет выполнить их с улучшенной защитой от влияния помех. В частности, использование скрученных и экранированных проводов, коаксиального кабеля и других мер позволяет обеспе- чить, как известно, достаточную для многих случаев практики за- щиту линий связи от поперечных помех (помех наводки). Для уменьшения влияния продольных помех (определяемых разностью потенциалов точек заземления) могут быть применены известные Рис. 5.4. Структурная схема системы с последовательным интерфейсом методы гальванического разделения цепей с помощью, например, импульсных трансформаторов, разделительных конденсаторов, оптронов. Для улучшения помехоустойчивости в таких ИФ целе- сообразно повышать до допустимого предела уровень используе- мых сигналов. Последовательные ИФ могут быть выполнены с разомкнутой или замкнутой (петлевой) магистралью, с одноступенчатой или многоступенчатой адресацией объединяемых ФБ. Петлевая струк- тура магистрали (см. рис. 5.1Д) позволяет повысить надежность работы системы, а многоступенчатая адресация — сосредоточить в определенных местах значительное количество ФБ. На рис. 5.4 представлена структурная схема части системы с последовательным ИФ, имеющей разомкнутую магистраль с трех- ступенчатой адресацией. Обмен информацией между ЭВМ, выпол- няющей функции обработки информации и управления работой системы, и функциональными блоками производится через интер- фейсный узел ЯФУо- Гальваническая развязка частей системы вы- полняется с помощью блоков БГР. Каждая ступень адресации имеет магистральную станцию, включающую коммутатор, к т выходам которого (т. е. соответственно т', т", т'") могут быть присоединены ФБ или коммутаторы следующей ступени. На Рис. 5.4 показана связь коммутаторов трех ступеней: KI, КП, КШ- При трехступенчатой адресации в системе могут быть объедине- ны щз фб с ПОМОщЬЮ коммутаторов по т коммутирую- щих элементов в каждом коммутаторе (при т=64 количество ФБ может быть около 260-103, но в этом случае должен быть исполь- зован 4161 коммутатор). Бели на каждой ступени используется один коммутатор, тогда оощее количество ФБ, которое может быть объединено в системе
с тремя коммутаторами по т точек, будет равно 3m—2. Очевидно,, такая структура целесообразна при размещении коммутаторов в. местах концентрации ФБ. В этом случае для связи между собой' ФБ одной ступени должна быть обеспечена возможность одновре- менной коммутации элементов, подключающих одновременно эти ФБ. Применением одновременной коммутации нескольких выходов: будет организовываться связь между ФБ одной ступени или между ФБ нескольких ступеней. На рис. 5.5,а показана организация свя- зи между ФБ, подсоединенными к коммутаторам в точках у, 2'’ и т', на рис. 5.5,6 — у, 2', Г, т". Рис. 5.5. Связь между ФБ с помощью коммутаторов Уменьшения потоков информации в системе можно добиться,, если использовать устройства обработки и хранения информации на каждой ступени. Для уменьшения адресной информации при организации обмена информацией между ФБ можно использовать активные ФБ, у которых ИФУ обладают возможностью формиро- вать адреса и хранить в памяти соответствующую программу связи. Остановимся на кратком описании последовательного ИФ, со- зданного для обеспечения работы ЭВМ с относительно большим количеством ФБ, расположенных группами с расстояниями между ними от 100 до 500 м. Функционирование системы должно было происходить нормально при значительном уровне помех со вре- менем передачи одного импульса порядка 10G с. Была использована трехступенчатая структура с коммутатора- ми, имеющими т=64. В этом ИФ интерфейсный узел ИФУ0 (см. рис. 5.4) выполняет функции формирования адресов, генерирования команд и вспомо- гательных сигналов, преобразования кодов и формирования сиг- налов. Связь между ИФУ0, KI, КП, Kill осуществляется ио двум кабелям Р К-75-4-11 через импульсные трансформаторы МИТ-12, размещенные в блоках гальванической развязки БГР. Эти трансформаторы позволяют пропускать импульсы с фронтами в 30—50 нс. Кодоимпульсные сигналы передаются самосинхронизирующим- ся двуполярным кодом с синхронизацией импульсами отрицатель- ной полярности. Амплитуда импульсов равна 12 В. На конце ка- беля длиной 500 м их амплитуда уменьшается до 7,1 В, а приня- тый порог различения сигналов равен 5 В.
Обозначения адреса и команды передаются пачкой положи- тельных импульсов без сопровождения синхроимпульсов: адрес- коммутатора первой ступени занимает семь импульсов, коммута- торов второй и третьей ступеней — соответственно шесть и пять- импульсов, команды принять O(W) —четыре импульса, O0(R) — «передать» — три импульса, готовность принять <p(W) логические- операторы или передать <р(К) информацию — два импульса. Код адреса ФБ имеет шесть разрядов. Для повышения помехо- защиты используется контроль четности. Для защиты схемы or накопления одиночных импульсных помех в магистральных стан- циях (включающих коммутаторы) предусмотрен режим стирания* пришедших кодовых импульсов, если отсутствует синхроимпульс,, отстоящий от них не далее чем в 1,5—2 мкс. Интерфейсные узлы ФБ содержат схемы выделения признаков, команд, схемы контроля по четности и взаимодействия с ФБ. При записи информации в ФБП после приема команды AdoX X (ФБП) Фо (W) посылается в ИФУ ответ о готовности принять. информацию <pn(W) и открывается вход регистра приема информа- ции. Затем после приема информационного слова Ad (ФБИ)Ъ(Б*) X ХТ(7*) I (/*) производится проверка на четность и выдается «кви- танция» <pn(W:/*)- Заметим, что при выдаче подтверждения готовности и приема, адрес может не передаваться. При передаче информации из ФБ в ЭВМ порядок обмена информацией соответствует представленно- му на рис. 5.3,а. Предусмотрена организация прерывания обмена информацией путем выделения адресов ФБ, имеющих установленные заранее- приоритеты. Для использования в этом интерфейсе созданы управляющие- регистры, буферные ЗУ, несколько типов быстродействующих ЦАП и АЦП, коммутаторов аналоговых сигналов, пульты управления' и индикации и др. Необходимо остановиться на последовательном ИФ RS-232, ис- пользуемом для связи подсистем с устройством более высокого иерархического уровня. Этот ИФ предусматривает двустороннюю- передачу информационных сигналов по последовательному алго- ритму, однако для передачи сигналов запроса на передачу <p(R),_ готовности к приему информации <p(W) и др. выделяются специ- альные линии сигналов. В этом ИФ используется 25-жильный ка- бель. Скорость передачи при расстоянии до 50 м составляет де- сятки килобайт в секунду. При использовании специальных Устройств (модемов) обмен информацией может производиться на расстоянии до 1,2 км, скорость передачи информации при этом не превышает 2,5 Кбайт/с. В настоящее время за рубежом большое- количество микро-ЭВМ, дисплеев и подобных устройств имеет вы- ход на этот ИФ. В бортовом оборудовании самолетов и вертолетов используется- последовательный интерфейс (в соответствии с ГОСТ 18.977-79). 11ередача информации в нем производится по двухпроводной би-
•филярной линии, двуполярными импульсами, со скоростью 48, 100 или 250 Кбит/с на расстоянии до 100 мм. Код признака передавае- мой информации содержит 8 двоичных разрядов, а для передачи данных выделяется 24 разряда. Приемники могут по индивидуаль- ной программе выбирать из передаваемой информации определен- ную часть. В заключение следует подчеркнуть, что последовательные ИФ •целесообразно использовать главным образом при необходимости •обеспечить обмен информацией между ФБ при воздействии силь- ных помех, а также при передаче информации на относительно «большие расстояния при невысоких требованиях к скорости обме- ла информацией. 5.4. ПРИБОРНЫЙ СТАНДАРТНЫЙ ИНТЕРФЕЙС В СССР приборный интерфейс [5.4, 5.6] официально введен в „действие. Приборный ИФ принят IEEE в качестве стандарта 488—1975 '(78) «Цифровой интерфейс для программируемых устройств», ре- комендован для использования Техническим Комитетом ТС-66 „Международной электротехнической комиссии. Разработчиком при- борного ИФ является фирма Hewlett — Packard (HP) США, кото- рая назвала этот ИФ HP Interface Bus (интерфейсная шина фир- мы HP), или сокращенно HP-IB. На изделиях фирмы, выполнен- ных в этом ИФ, имеется именно такое обозначение. В соответствии с принятой в данной работе классификацией .(Приборный ИФ обеспечивает работу системы с одним уровнем централизации (Аа, см. табл. 5.1), имеет раздельные информаци- онные шины и шины управления (Ба, б), относится к ИФ с ма- гистральной системой шин (Вб), реализует байт-последователь- ;ный, бит-параллельный обмен информацией, объединяет ФБИ, •ФБП, ФБПИ, использует асинхронный метод передачи информа- ции (Еб). ИФ не регламентирует типы работающих в системе .ЭВМ (Жа), конструкцию ФБ (36) и питание (Иб) приборов, «объединяемых в систему. Магистральная система шин (магистраль) обеспечивает парал- лельное соединение всех ФБ и состоит из трех групп шин (рис. 5.6). В систему могут объединяться ФБП, ФБИ, ФБПИ и ФБУ. В ка- честве контроллера (ФБУ) часто используется микро-ЭВМ. Обыч- :но в этом случае ЭВМ является одновременно и ФБПИ, выполняя функции управления, приема, обработки и выдачи информации, а также передачи ее на свои периферийные устройства. Отдельные функции ФБУ могут быть по поручению основного ФБУ выпол- нены и некоторыми ФБ системы. По восьми информационным шинам передаются: командная (информация, сопровождаемая сигналом 1 на шине ATN, в том числе адреса приемников, сопровождаемые 1 на DIO6 и 0 на DIO7 и адреса источников, сопровождаемые 0 на DIO6 и 1 на DIO7; уни- версальные команды и т. д„ причем линия DIO8 в командах не
1 - логическая ‘единица (не более 0,8 В) j0~-логический нуль (не менее 2,8 В) Х-по усмотрению пользователя Рис. 5.6. Магистраль приборного интерфейса используется; измерительная или служебная (например, статусный байт) информация, сопровождаемая сигналом 0 на шине ATN. Шины управления передачей данных используются для органи- зации асинхронного обмена информацией между ФБП и ФБИ.. Алгоритм обмена сигналами между этими ФБ при передаче каж- дого байта данных и соответствующая этому алгоритму времен- ная диаграмма представлены на рис. 5.7. На схеме алгоритма1 приведена привязка операций по времени к моментам, указанным- на временной диаграмме. Такая процедура обмена информацией называется в прибор- ном ИФ «рукопожатием». Содержательная логическая схема алго- ритма «рукопожатия» (обозначения см. на рис. 5.6 и 5.7) может'
---- ФБИ it то tz. ПАУ ШШ/// ФиС^) NRFD 4>n(W) ND А С №АС ' i/ to ФБП ФБИ Рис. 5.7. Схема алгоритма и временная диаграмма обмена информацией в при- •борном интерфейсе ФБП •быть описана следующим образом: [фп (W) ||дГп (W : I) ||ФИ (W) ] £(Z*) fon (W) ||фп (W) ] X X [Фи (W) II Фи (W) ] {In (W : Z) II [фп (W) I! ф'п (W) ]} X Х{[фп (W : Z) ||фп (W : Z) ] [Фи (W) ||ФИ (W) ]}Х xlB(Z*)ftn(W:Z) ||Jn(W:Z)]. •Сделаем некоторые пояснения к этому алгоритму.
После выставления сигнала Фи (W) (данные недействительны) и сигналов о-том, что приемник не готов к приему1’ <pn('W), информация не принята tpn(W :!*), на шинах D10” уста- навливается байт передаваемой информации (сопровождается со-' ответствующими сигналами идентификации вида сообщения). После сигнала готовности к приему <pn(W) устанавливается'сигнал достоверности передаваемых данных Фп (W) и производится прием информации In(W:/). Завершается цикл «рукопожатия» сигналом, подтверждающим прием tpn(W:/*), сигналом недостоверности вы- ставленной информации <Dn(W), снятием информации с шин DIO и выставлением сигнала <pn(W;: /*). По шинам DIO могут передаваться байты I*, Ad*, tp* или Ф*. Процедуру «рукопожатия» будем обозначать буквой Н с указате- лем содержания передаваемого байта: Н.(1) — передача данных, Н (Ad) — адреса, Н( Ф) — команды. Процедура Н одного ФБИ может осуществляться с нескольки- ми ФБП. В _этйх случаях на линиях NRFD и NDAC сигналы <рп (W) и <pn(W :/*) ^огут появиться только после приема их всеми ФБП, включая самые медленнодействующие. Нескольким ФБП, работающим с одними и теми же ФБИ, может быть лрисвоен оди- наковый адрес. Заметим, что наличие сигналов логической единицы на всех шинах от DI01 до DI05 означает команду сброса адресов ФБП и ФБИ (при сигнале 1 на линии ATN). Если имеется необходимость в обмене информацией со сторо- ны активных ФБИ и ФБП, то они формируют сигнал tp(R) или <p(W) на линии SRQ. Поиск ФБ, выдавшего сигнал на обслужива- ние, производится ФБУ путем последовательной передачи адресов ФБ Н [Ad (ФБ)] (обычно в порядке убывающего приоритета). Процедура последовательного опроса будет повторяться до тех пор, пока не будет передан адрес ФБ, запрашивающего обслужи- вание:. ‘В приборном ИФ предусмотрен также (в целях уменьшения времени на поиск адреса ФБ, запрашивающего обслуживание) ре- жим параллельного опроса. В этом режиме к ФБ присоединяется одна из линий DIO и организуется радиальная система адресных линий. Выполняется этот режим после передачи соответствующей команды Ф(ФП.О*) и выставления 1 на линии ЕОГ, СЛСА состоит из последовательно выполняемых запроса на обслуживание <pz(R|W), вызова ФБ по радиальным линиям [Ф0||Н(Фп.о)] X X[Ad0*I||Ad0*2||...] (Adf(i) <p,(R/W)] и команды на выпол- нение процедуры обмена информацией O0||HO(R|W). Здесь ис- пользован знак | («или») для обозначения того, что запрос обслу- живания может быть произведен по инициативе ФБИ или ФБП. Программное обеспечение системы, основанной на использова- нии приборного ИФ, должно содержать операционную часть, не- обходимую для формирования команд, кодов сообщений и т. п., и прикладную часть, создаваемую для выполнения системой по- ставленной задачи.
Программное управление работой ФБ осуществляется путем передачи в ФБ командных сообщений об изменении режимов их работы, пределов измерения, о выполнении ими определенных функций и т. п. Имеются коды таких сообщений, рекомендованные для преимущественного применения в приборном ИФ. Максималь- ное количество их равно 128. Идентификация кодов и выполнение предписанных ими операций производятся в ФБ аппаратным спо- собом. Для использования в приборном ИФ рекомендуется 7-бит- ный код по ГОСТ 13052-74. Рис. 5.8. Система с объединением ФБ с помо- щью приборного ИФ Характеристики линий связи и разъемов в приборном ИФ ре- гламентируются. Выпускаются соединительные линии (кабель с 24 жилами, 150 пФ/м) длиной 1, 2 или 4 м. Суммарная длина кабе- лей ко всем ФБ не должна превышать 20 м. При применении спе- циальных устройств, обеспечивающих изменение вида модуляции передаваемых сигналов, имеется возможность обмена данными между ФБ, расположенными до 1000 м друг от друга. Максимальная скорость передачи информации при применении приборного ИФ — 1 Мбайт/с при длине соединительных линий до 5 м и 250—300 кбайт/с при длине соединительных линий до 20 м и объединении пяти ФБ в системе. Известно большое количество разнообразных систем, основан- ных на использовании приборного ИФ и объединяющих разнотип- ные ФБ. Приведем структурную схему простейшей локальной ИВС (рис. 5.8), состоящей из микро-ЭВМ, работающей с периферийны- ми устройствами (накопитель на магнитной ленте МЛ, клавиатура Кл для ввода информации и цифропечатающее устройство), бы- стродействующего цифропечатающего устройства, коммутатора аналоговых сигналов с циклическим и адресным управлением, цифрового измерительного устройства. Микро-ЭВМ СР в системе
не только обрабатывает информацию, поступающую от объекта исследований, но и управляет работой системы. Интерфейсные устройства сопряжения ФБ с магистралью приборного ИФ объеди- нены в единый блок. Зарубежными фирмами выпускается относительно большое ко- личество различных устройств, основанных на использовании при- борного ИФ, а также ФБ с соответствующими устройствами со- пряжения. К ним относятся измерительные системы для измерений напряжений, спектроанализаторы, цифровые дисплеи, генераторы сигналов и т. п. Заметим, однако, что эта продукция (по количе- ству наименований) в фирме HP занимает 10—20%. По сравнению с последовательным приборный ИФ позволяет получать существенно большую скорость обмена информацией благодаря одновременной передаче как обозначения, так и содер- жания данных, адресной и командной информации, а также пере- даче информации по байтам. В то же время использование асин- хронного обмена информацией позволяет объединять ФБ, имеющие различное быстродействие. $.5. ИНТЕРФЕЙС КАМАК Общие положения Система КАМАК. (САМАС — Computer Applications for Measu- rement and Control) рекомендована к использованию Международ- ной электротехнической комиссией. Она разрабатывалась примерно с начала 1960-х годов под руководством Комитета ESONE «Евра- тома», объединившего для этой цели усилия около трех десятков научно-исследовательских учреждений ядерной физики. Совершен- ствование ИФ системы КАМАК непрерывно продолжается: в те- чение нескольких лет кроме начального основного варианта появи- лись ИФ быстрого КАМАК, последовательного КАМАК, КАМАК с микропроцессорными контроллерами и узлами сопряжения. Далее рассматривается ИФ КАМАК, соответствующий ГОСТ 26.201-80 [5.5]. Кроме того, описывается магистраль ветви и последовательная магистраль КАМАК. По принятой классификации (см. табл. 5.1) ИФ КАМАК предусматривает: возможность построения систем с двумя и бо- лее уровнями цемрализации (Аб); раздельные системы шин для информационных и управляющих потоков (Бб); магист- ральную систему шин, работающую совместно с несколькими радиальными шинами, связывающими все ФБ с ФБУ (За,б); параллельный порядок выполнения операций обмена информа- цией (Гб); объединение активных ФБПИ (Да,б); синхронный обмен информацией (Га); работу с любой ЭВМ (Жа); унифи- кацию конструкции (За); унификацию питания (Иа). Первая ступень централизации управления и обработки ин- формации обеспечивается в крейте, а вторая — в ветви, которая может объединять до семи крейтов. Возможно объединение для совместной работы нескольких ветвей.
Описание магистрали крейта Конструктивно крейт объединяет 25 станций, ширина каж- дой из которых равна 17,2 мм (0,7 дюйма). Высота крейта рав- на 200,9 мм, а глубина — 293 мм. Две правые станции в крейте заняты ФБУ — контроллером крейта. В остальных 23 станциях размещаются ФБПИ. Функциональные блоки могут занимать 1, 2, 3, 4, 6 или 8 станций: Каждый ФБ должен содержать интер- фейсный узел сопряжения. Расположение ФБ в крейте может быть любым. Адрес каждого ФБ соответствует месту его распо- ложения в крейте. Связь с ЭВМ может быть выполнена через контроллер крей- та (КК); микропроцессоры и микро-ЭВМ могут быть присоеди- нены в качестве ФБ. Система шин и основные служебные сигналы крейта выгля- дят следующим образом. Шины адреса и команд. К каждой станции от КК проводит- ся индивидуальная (радиальная) линия, обозначенная на рис. 5.9 буквой N (Number—номер). Внутри ФБ могут быть расположены адресуемые субблоки. Для этой цели выделены четыре магистральные шины Аь А2, А4, Ag (Subaddress — суб- адрес) . Код операции, которая должна быть выполнена в ФБ, пере- дается по пяти магистральным шинам: Fi, F2, F4, Fs, Fi6 (Func- tion — функция). В ИФ установлено 18 типовых функций: Ь (0) — чтение регистра, F (8) — проверка запроса, F (24) — за- прет и т. п. Типовое обращение к ФБ образуется в виде комбинации сиг- налов NAF: Ad*(<PB)\\SbAd*\\®*. №1 Крейт 7 ФБУ (КК) №24,25 +24В;+5В;~5В;~24В (+Z00B;i-1ZB-,-12B,-117B) Земля. Резерв Pi, А - сквозные шины Pj, Ру, Рз-индивидуальные шины 1. суск-у*(г) г Запрет-3 СБ ос С) 1.3 снято-у* (4) гСответ-'Р*(а)з.КоманВа принята-уКА”) Запрос (шлаг) ,4>*(R\WT,___________________ ___________Запись W1,. •., W24________________ ____________Чтение RZ4______________ Стров-сигналксЗ^отсчет'Ф^т^з^данные могут езненяться-лфт, Fi, Гг, F4 > Fe> Fie ~ Ф" Ал, Az, Ay, Aj-SPAll* Пита- ние ^управление ^Данные ' Строб- сигналы Адресован- Г (\ команда 'у, Верти- -'кальная магистраль №1 Крейт №24,25 ' . A BAd*(l)\ Контроллер If ' —1 (драйвер^ветви I, Г <РБУ ~ ЮЯй. 94 —J Рис. 5.9. Магистрали крейта и ветви КАМАК
Информационные шины. В ИФ крейта выделены однонаправ- ленные 24 магистральные линии сигналов, обозначаемые Wi,... .,.-,W24 (Write — запись) для записи (приема) информации и R1,’...,R24 (Read — чтение) для чтения (выдачи) информации. 'Шины статуса (состояния). От каждой станции к КК прово- дится индивидуальная шина, по которой от ФБ может переда- ваться сигнал запроса (флаг) tp*(R|W). После NAF передаются сигналы о занятости магистрали ср*(Ф), о состоянии выбранной части ФБф(<2) и о принятии ко- манды ф(Ф’)- Шины синхронизирующих импульсов. По магистральной ли- нии S1 передается синхроимпульс (строб 1) Ф (Л)’ при неиз- менных сигналах на шинах R и W, по линии S2 (строб 2) Ф(Т’2) передается синхроимпульс при последующем изменении сигна- лов на шинах R и W (например, перед сбросом показаний реги- стров)- Шины общего управления. По магистральной шине Z (zero — нуль) в сопровождении сигналов Т2 и <р(Ф) передается сигнал пуска, по шине I (Inhibit)—ф*(/)—сигнал запрета выполне- ния команды, по шине С (Clear — очистка)—ф*(С)—сигнал сброса, очистки магистрали. Шины питания магистральные: +24 В, —24 В, +6 В (25 А), —6 В (25 А), две шины заземления. Кроме того, в качестве до- полнительных могут быть использованы магистральные шины для питания ФБ от источников +200, +12, —12, 117 В, две шины для заземления. Шины для нестандартных соединений: Р\—Р$. Всего систе- ма шин крейта содержит 82 магистральные линии сигналовт проходящих через все станции, и по 2 индивидуальные (ради- альные) линии, идущие от контроллера крейта к каждой стан- ции. Таким образом, в крейте используется смешанная магист- ально-радиальная (коллективная и индивидуальная) система шин. В ИФ КАМАК унифицированы 86-контактные разъемы и со- единение всех шин с контактами разъемов. Для детального изучения ИФ КАМАК необходимо обратить- ся к соответствующим источникам [5.5]. Здесь же рассмотрим лишь основные особенности функционирования магистрали крейта. В операциях обмена информацией на магистрали крейта уча- ствуют, как правило, контроллер крейта и ФБИ или ФБП. Схема передачи сигналов команды от контроллера крейта к ФБ изображена на рис. 5.10. Команда NAF записывается в ре- гистры контроллера. Из регистра N адрес ФБ в параллельном коде подается на дешифратор, преобразующий этот код в сигнал Adv на индивидуальной линии, имеющей соответствующий номер (от 1 до 24). Заметим, что при 5-разрядном двоичном коде ад- реса на выходе дешифратора остаются избыточные линии (от
|25 до 32), которые могут быть использованы («ложные адреса») |для других целей. Сигнал адреса (вызова) из дешифратора по индивидуальной шине поступает на соответствующий ФБ. Сиг- налы субадреса SbAd* по шине А и кода операций Ф* по шине |F передаются по магистральным шинам в ФБ, где производит- ся их дешифрация. На рис. 5.10 показан путь прохождения сиг- налов команды записи в регистр 1-й группы F16, относящейся к 1лятому субблоку ФБ. Сигнал ответа <p*(Q) по шине Q вырабатывается после де- кодирования команды. Если эта команда связана с обменом информацией (R или W), то этот сигнал должен формировать- ся до сигнала 7\. Рис. 5.10. Схема передачи сигналов команды в крейте КАМАК Сигнал пуска по линии (г) имеет абсолютный приоритет, по нему схема устанавливается в исходное состояние. По сигналу сброса ф*(С) начальное состояние устанавлива- ется для части системы. Сигнал запрета <р*(7) может запрещать работу блока или его части. Сигнал запроса <p*(R|W) сбрасывается после выполнения вы- званной им команды при наличии сигнала специальной команды F(10) (сброс запроса) или при наличии в системе сигнала tp*(Z). В интерфейсных устройствах сопряжения ФБ имеется две груп- пы регистров — регистры данных и регистры фиксации сигналов управления. В адресном режиме (ФБУ — ФБИ) выполняется следующий порядок обмена: [Ad* ФБИ||5М^|[Ф*] [1и(/‘) (!<Р*и (R) ] X I________! X[Ф*0 (Л) Но(W: I*) ] [ф*о (Т2) II1И(/*) ].
Полный цикл передачи 24 бит равен 1 мкс. Следовательно, имеется возможность передачи информации по шинам R и W со скоростью 24-1О6 бит/с. Если внутри ФБ имеется несколько субблоков, могущих вы- дать или принять информа>ци)о (например, несколько, АЦП или коммутационных элементов), и один из субблоков выдал сигнал запроса (флаг) <p*(R|W), то для нахождения адреса этого суб- блока контроллер крейта выполняет последовательный опрос всех субадресов А. Затем, только после нахождения субблока, выдав- шего сигнал запроса, дается сигнал разрешения и производится операция связи этого субблока с шинами R или W. Указанная особенность обмена информацией по инициативе субблока при- водит к увеличению времени, затрачиваемого на процедуру об- мена информацией в этом случае. Описание магистрали ветви В ИФ КАМАК предусмотрена организация второго уровня централизации управления обменом информации, который носит название ветви (branch) или вертикальной магистрали. В маги- страли ветви возможно объединение до семи крейтов. Система шин и основные служебные сигналы ветви имеют следующие характеристики (см. рис. 5.9). Шины адреса и команд. По радиальным шинам BAcF(l) — В Ad* (7) к каждому крейту передаются сигналы, определяющие его адрес. Для передачи номера модуля в крейте используются пять магистральных линий BNb BN2, BN4, BN8, BNJ6 и четыре магистральные линии субадреса ВАЬ ВА2, ВА4, ВА8. Для передачи кода операции (функции), которую должен выполнить адресованный субблок, используются 5 магистраль- ных линий BFi, BF2, BF4i BF8, BF16. Таким образом, в ветви радиальными шипами связаны конт- роллеры крейтов и ветви (КК и КВ), субадреса и команды пе- редаются в двоичном коде за один такт по магистральным ши- нам. Информационные шины. Для записи и чтения информации ис- пользуются 24 магистральные линии BRWi,..., BRW24. Шины статуса (состояния). Запросы на обслуживание со сто- роны КК передаются по радиальным линиям Btp*i(W|R), ... ...Btp*7 (W|R). Сигналы Brp*(z), В<р*(/), Btp*(C), В<р*(Ф), Btp*(Q) аналогичны сигналам общего управления магистрали крейта. Резервные магистральные шины: [В<р(Ф5)1,..., В<р(Ф*)9]. Остановимся на особенностях работы магистрали ветви. Магистраль ветви работает в асинхронном режиме. Дополни- тельные неадресуемые команды могут быть получены путем ис- пользования мнимых адресов (от 24 до 32). При запросе обслуживания от КК по линии B<p*(W|R) КВ Дает команду на считывание кода модуля, пославшего запрос. Код модуля, пославшего запрос на обслуживание, передается по шинам BRW. Стандарт не определяет, как использовать при
этом шину BRW. Здесь имеется возможность, например, 'при количестве ФБ, равном или меньшем 24, сохранить линию ^за каждым ФБ или, положим, 7 разрядов использовать для нуме- рации крейтов, а 17 — для нумерации модуля в крейте. Данные поступают в КВ и обратно по BRW в виде 24-раз- рядных слов при наличии сигнала <р* (Q). . . Максимальная длина- магистрали ветви (при согласовании линий, наличии на линиях оконечных устройств, уменьшающих эффекты отражения волн), порядка 25 м. Имеются комплексы; выполненные по, трехступенчатой иерар- хической структуре. В них третья.. ступень служит для объедине- ния нескольких ветвей. - . Последовательная магистраль передачи данных При значительных расстояниях между ЭВМ и объектами (до сотни километров) в КАМАК может быть использована последо- вательная петлевая магистраль передачи данных, в которой ис- пользуется однонаправленная передача данных. Очевидно, ;что петлевая структура магистрали обеспечивает - повышенную на- дежность работы системы. Имеется описание последовательного интерфейса, позволяю- щего объединить в системе до 62 крейтов (рис. 5.11). Каждый крейт должен иметь контроллер, рассчитанный на работу в по- следовательном режиме обмена информацией (SCC — Serial Crate Controller), а управление Рис. 5.11. Последовательная магист- раль КАМАК работой крейтов осуществляется 'с помощью блока управления последовательной магистралью. В функции типового блока управления последовательной ма- гистралью входят переупаковка сигналов, связь с ЭВМ, иденти- фикация заявок, промежуточное хранение и др. Контроллер SCC обнаружи- вает адресованную ему инфор- мацию и выдает ответ — код ис- полнения и состояния. В последовательной маги- страли используется асинхронный принцип передачи данных. Ско- рость передачи цифровой информации определяется протяжен- ностью и типом линии связи: для скрученного и экранированного провода длиной 50 м — до 5 Мбит/с, 5 км — до 100 кбит/с. Ин- формация передается по байтам (7 бит—информация, 1 бит—кон- троль четности) с сигналами начала и конца байта. , Каждое сообщение начинается с адресного байта (адресуется 1до 62 крейтов). Последний байт сообщения содержит контроль- ную сумму переданных байтов. По магистрали могут переда- ваться 32 стандартные команды (функции). Сигнал заявки
(флаг) длиной 3 байта генерируется КК по сигналу от ФБ, что позволяет идентифицировать крейт, блок и субблок. -Заявки поступают в блок управления магистралью, а отту- да _в систему приоритетных прерываний ЭВМ. Считается, что такая организация работы более быстродействующая по сравне- нию с непрерывным опросом- источников информации. Для защиты от помех используются экранирование, заземле- ние согласование характеристик линий связи, а также контроль по четности и повторение передачи кодов. При обнаружении ошибки команда не выполняется, и об этом сообщается в ЭВМ. При повторном искажении команды формируется сигнал тревоги. В последовательной магистрали могут быть использованы коаксиальные кабели, кабели парной скрутки с двойной экрани- ровкой, усилители и формирователи сигналов с дифференциаль- ными входами и выходами. Особенности использования ИФ КАМАК Разработчики КАМАК не приводят экономических обоснова- ний создания и использования системы, ограничиваясь качест- венной оценкой его достоинств и недостатков. К бесспорным достоинствам ИФ КАМАК можно отнести мо- дульную структуру, приспособленную к гибкому построению и относительно несложному изменению состава системы, к широ- кой кооперации в производстве ФБ и устройств ИФ, высокую пропускную способность, строго формализованную организацию обмена информацией. В то же время следует отметить относительно высокую стои- мость ФБ и конструкций, определяемую техническими данными, которые избыточны для наиболее часто встречающихся на-прак- тике задач, технологические трудности в изготовлении плат и разъемов (в крейте должно работать около 2000 контактов!),, требование согласования разрядной сетки ИФ КАМАК с разряд- ностью АЦП, мини- и микро-ЭВМ, микропроцессоров, отсутствие закрепленных адресов за ФБ и т. п. В настоящее время разнообразные ФБ, контроллеры крейтов и ветви, линии связи, интерфейсные узлы и конструкции выпу- скаются многими фирмами в различных странах, в том числе и в странах — участниках СЭВ (СССР, Польша и др.). С исполь- зованием этих устройств для проведения научных экспериментов и испытаний создано довольно большое количество действующих систем. Однако имеются случаи неоправданного применения стандар- та КАМАК для создания относительно простых и медленно дей- ствующих устройств, где можно успешно использовать, напри- мер, приборный ИФ. Неоднократно производились попытки «исправить» и «упро- стить» КАМАК. Так, например, известны работы, направленные на перевод конструктивов в метрические меры, на упрощение ИФ. Однако все они не имели серьезного успеха. Это объясняет-
ся, в первую очередь, тем, что при принятии этих изменений ста-' новится невозможной кооперация изготовителей ФБ при созда- нии ИИС. В заключение следует отметить, что ИФ КАМАК является по существу объединением нескольких ИФ, позволяющим решать многочисленные запросы практики при создании новых ИИС. Однако в ряде случаев оказывается целесообразным создавать системы, части которых выполняются на ИФ КАМАК и прибор- ном ИФ. 5.6. ИНТЕРФЕЙСЫ ПЕРИФЕРИЙНОЙ ЧАСТИ ЭВМ Общие положения Знание ИФ периферийной части ЭВМ (включая микропро- цессоры) необходимо, во-первых, для сопряжения ЭВМ с осталь- ными блоками ИИС, а во-вторых, для создания на базе этих ИФ конкретных ИИС. Далее рассматриваются ИФ периферийной части ЕС ЭВМ, СМ ЭВМ и микропроцессорных наборов. Следует отметить, что в периферийной части ЭВМ использу- ются интерфейсы, в наибольшей мере учитывающие особенности данной машины. При этом автономная работа периферийных устройств, объединенных машинными интерфейсами, не преду- сматривается. В интерфейсах ЭВМ преимущественно используется магист- ральный принцип построения с программным управлением про- цессом обмена. Последнее приводит к относительно большому объему соответствующего программного обеспечения. В настоящее время наблюдается тенденция к унификации машинных интерфейсов для всех ЭВМ, входящих в ЕС ЭВМ, ис- пользуется один интерфейс и для СМ ЭВМ. Нужно заметить, что эти ИФ относительно близки друг к другу и сопряжение между ними относительно несложно, близко и программное обеспечение этих интерфейсов. Интерфейс ввода-вывода информации в ЕС ЭВМ Интерфейс устройств ввода и вывода информации в ЕС ЭВМ является стандартным для всех машин и внешних устройств, ис- пользуемых с ними. Устройство, обеспечивающее совместную работу внешних устройств (ВУ) с центральным процессором и памятью ЭВМ, называется каналом ввода-вывода (КВВ) [5.7]. Канал ввода-вывода определяет направление обмена инфор- мацией (прием команд от центрального процессора, адресацию ВУ), производит выборку командного слова из памяти, выполне- ние действий в соответствии с командным словом канала, про- верку данных на четность, прием и обработку информации о со- стоянии ВУ, формирование запросов на прерывание и т. п. Мультиплексный КВВ обеспечивает обмен информацией с ВУ, работающими со скоростью порядка 103 байт/с. К таким
Рис. 5.12. Интерфейс ввода вывода ЕС ЭВМ ф^п ФБ1 шин-кк АДР-К 1 AdK УПР-К -Т Фк 1 ИНФ-К 1 1к РА Б-К К У * БПК-К Фк ВБР-К(РВК-К) ! ВБР-А 1 1 ФА(^к) 1 г ШИН(А0-А7). ШИН-АК 1 ^At^A^A АДР-А 1 Ad а 1 УПР-А 1 Фа И НФ-А 1 1а 1 РАБ-А ! А —Г“ ' ТРБ-А 1 1 f ~т ВУ относятся, например, ВУ для считывания информации с перфокарт — 500 карт/мин (670—1340 байт/с) ВУ—для записи на перфоленту 150 строк/с, цифропечатающие ВУ—10—50 байт/с. Для об- служивания столь разнообраз- ных по быстродействию ВУ используется асинхронный ре- жим обмена информацией; ин- тервалы обслуживания опре- деляются запросами ВУ. Ка- нал ввода-вывода может об- служивать запрос примерно за 30 мкс, следовательно, в мультиплексном режиме КВВ может обеспечить до 30 тыс. запро- сов в секунду. В монопольном режиме мультиплексного КВВ какое-то од- но ВУ монополизирует оборудование КВВ и оперативной памя- ти или центрального процессора. Скорость обмена информацией в этом случае достигает 200 кбайт/с. Мультиплексный КВВ имеет несколько подканалов. Первые восемь подканалов являются раздельными, предназначенными для управления группой ВУ (до 16 ВУ), остальные подкана- лы — неразделенные. Количество подканалов определяется объе- мом внутренней памяти ЭВМ и принятой системой адресации. Селекторный КВВ или канал прямого доступа в память об- служивает одно высокоскоростное ВУ (например, накопитель на магнитных дисках). Система шин и сигналов интерфейса КВВ ЕС ЭВМ, а также составляющих логической схемы алгоритмов представлена на рис. 5.12. Этот ИФ предназначен для обмена информацией между КВВ ЭВМ (ФБУ) и внешними устройствами (ФБ) — абонентами. Ли- нии, по которым передается информация от КВВ к абонентам, обозначается буквой К, от абонента к КВВ — буквой А. В СЛСА сигналы, предназначенные для передачи информации от КВВ к абонентам, сопровождаются индексом К, а от абонен тов к КВВ — А. В качестве абонента (ФБ) может быть одно' ВУ или устройство, управляющее группой ВУ. Ко всем магист- ральным линиям К. и А подключаются все ФБ. Шина ШИН-К предназначена для передачи от ФБУ данных, адресов и команд, которые должны выполнить ФБ. Сигналы по линиям АДР-К, ИНФ-К, УПР К определяют вид информации, передаваемой по ШИН-К (AdK, 1к, Фк)-
Но линиям РАБ-К и БЛК-К передаются общие сигналы уп- равления: «КВВ работает» (К), «КВВ занят» (Фк). Шина абонента имеет такое же назначение, как и шина КВВ, за исключением того, что вместо команд по шине- ШИН-А пере- даются сигналы состояния, по! РАБ-А — сигнал «абонент подклю- чен» (А). У абонента имеется линия ТРБ-А запроса абоне-нта на обслуживание <pA(W|R). Линия ВБР-К служит для выявления адреса абонента, вы- ставившего требование на обслуживание или для проверки под- ключения абонента. Эта линия последовательно проходит че- рез все ФБ. Цепь этой линии разрывается ФБ, подключившимся к системе шин или сделавшим запрос на обслуживание. Появле- ние сигнала на линии ВБР-А говорит о том, что ни один из ФБ не разорвал цепь ВБР-К. В ИФ КВВ реализуется асинхронный режим работы, т. е. осуществляется передача информации с квитированием, с под- тверждением приема сигналов. Содержательная логическая схема алгоритма при передаче информации к ФБ по инициативе ФБУ будет выглядеть: К [AdK || Ad*A] ФК (Ad\) [А|| AdA || Ad\ ] X XI®k|I®*k(W)][Ik||Pk]...K. СЛСА процедуры передачи информации по инициативе ФБ может быть представлена следующим образом: К[Фа (R) ] Фк (Ad*а) ] [А||AdA||Ad*A] X Х[Фк||Ф*к(И)] [IaIH*a] ...К. — Сигнал работы КВВ К присутствует в течение всего времени передачи. В ИФ предусмотрены проверка и взаимная блокировка сиг- налов. Так, например, в ИФ может присутствовать только один сигнал идентификации, сигналы идентификации на шинах або- нента могут быть сброшены только после появления сигналов на шинах ФБУ. Для всех ФБ при выполнении любой последовательности сиг- налов ИФ допускается время 32 мкс. КВВ обнаруживает отказ в работе оборудования, если время перерыва в работе ИФ пре- вышает 30 мс. Интерфейс 2К. агрегатного комплекса средств вычислитель- ной техники (АСВТ) ГСП Стандартный интерфейс 2К обеспечивает сопряжение между КВВ ЭВМ АСВТ и ФБ. Остановимся на составе шин и сигналов ИФ 2К. Шины для передачи сигналов от процессора или КВВ к ФБ (выходные шины):
информационные; ШИНО-К — ШИН15-К;п- редача команд, адресов и данных; контрольные: КРО-К, КР1-К; контрольные разряды (один на байт), проверка нечетности; «Выдано»: ВД-К; сопровождает выдачу информации по ШИН-К; «Прием»: ПР-К; готовность КВВ к приему информации' от ФБ; «Выполнить»: ВП-К; «Останов»: ОСТ-К; «Общий сброс»: ОСБ-К Управляющие сигналы зависят от типа ВУ; «Выбор ВУ»: ВБРО-К, ВБР1-К; сопровождает адресные сиг- налы на ШИН-К; Если ВУ являются ФБИ н ФБИ, то использу- ются соответствующие шины. Шины для передачи сигналов от ФБ к процессору или КВВ (входные шины): информационные: ШИНО-Т — ШИН15-Т; передача данных, адресов, информации о состоянии ФБ при сигнале ПР-К и соот- ветствующего кода адреса; контрольные: КРО-Т, KPI-Т; контрольные разряды (один на байт); «Отсутствие контроля»: ОК-Т; «Готов»: ГТО-Т, ГТ1-Т, ГТ2-Т; готовность, субадрес; «Ошибка»: ОШ-Т, 1 Информация о состоянии ФБ/ «Конец операции»: КОП-Т; J зависит от типа ВУ. Так же как и ИФ ЕС ЭВМ, ИФ 2К — с объединенной систе- мой шин и асинхронным обменом информацией. Интерфейс 2К обладает несколько большей пропускной способностью из-за большего количества информационных шин. Логические схемы алгоритмов ИФ ЕС ЭВМ и 2К близки. Читателю предоставляет- ся возможность составить их самостоятельно. Интерфейс «Общая шина» В микро-ЭВМ и некоторых мини-ЭВМ наибольшее примене- ние находит ИФ типа «Общая шина» (ОШ). В этом ИФ исполь- зуется магистральная система шин с раздельными (например, ЭВМ СМ-4) или объединенными (например, «Электроника-60») шинами для адресных сигналов и данных, а также отдельной шиной для сигналов управления (рис. 5.13). Управление ИФ может производить ФБИ, организующий об- мен информацией в данное время (ФБ памяти не могут брать на себя управление ИФ). Выбор ФБИ, управляющего ИФ, осу- ществляет центральный процессор, учитывающий присвоенный этому ФБИ приоритет. Обмен информацией в ИФ ОШ происходит асинхронно, т. е. на каждый сигнал управления выдается сигнал его выполнения.
Логическая схема алгоритма при выборе ФБИ, которому бу- дет передаваться функция управления ИФ, может быть пред- ставлена таким образом: <р (R) Ф0(Ю <р(Ф). Сигнал <D0(R) устанавливается после проверки приоритета. Сигналы поддер- живаются до завершения предыдущей операции обмена инфор- мацией. Операция прерывания программы со стороны выбранного ФБИ производится центральным процессором, выдающим син- хроимпульс Ф(Г1): Ф(Ф) ||А/*(ФБ) ||Ф (Л). Длительность операций «рукопожатия» зависит от быстро- действия участвующих в них ФБ. Адреса Данные 1(1*). Команды Ф(Ф*). Состояние <р(<р*') _ Контрольные разряды Управленце Ф* _______________________ ___________ Синхронизация; Т^-информация выставлена _____ Тг~исполнитель принял _______________или выдал информацию _________ (С разным j ГГД Запрос передачи rp*(W\R)(apuopumemoMj ___________ Разрешение передачи Ф*(УА\Р.)_____ ______________ Подтверждение выборки <p*(S\R\W) _ __________ Прерывание Ф(Е). Занято Ф(Ф) Процессор ФБу Фвп Рис. 5.13. Интерфейс типа «Общая шина» Передача данных выполняется по команде выбранного ФБ с указанием адреса ФБ, с которым должен быть произведен обмен. Нужно отметить, что, к сожалению, отсутствует общеприня- тый стандарт на ИФ типа ОШ. Это приводит к тому, что суще- ствуют многочисленные разновидности таких ИФ, а это — в свою очередь к излишнему разнообразию аппаратных и программных средств сопряжения ФБ с микро-ЭВМ. 5.7. СОПОСТАВЛЕНИЕ АЛГОРИТМОВ СТАНДАРТНЫХ ИНТЕРФЕЙСОВ В последовательном ИФ производится передача по одной ма- гистрали назначения и содержания основных видов информации: адресной Ad, командной Ф, статусной ср информации и данных 1. Естественный путь уменьшения объема передаваемой инфор- мации в таком ИФ связан с жесткой регламентацией последова- тельности и размеров сигналов.
В приборном ИФ каждый байт информации передается с по- мощью операций «рукопожатия», реализующих асинхронный спо- соб передачи. Существенное упрощение обмена информацией достигается разделением системы шин и применением индивидуальных шин адресации и запроса на обслуживание. Интерфейс системы КАМАК рассчитан преимущественно на обмен информацией между ФБУ и ФБП, ФБИ и ФБУ. Передача 24 бит данных от ФБИ к ФБУ по команде последнего занимает один цикл, по инициативе ФБИ — 2 цикла, от ФБИ до ФБП — 3 цикла. Здесь существенно увеличивается время при необходи- мости нахождения номера субблока, инициирующего запрос на обслуживание (может добавляться до 16 циклов). Интерфейс периферийной части ЕС ЭВМ близок по своим воз- можностям к приборному ИФ. Асинхронный способ обмена ин- формацией в нем реализован взаимодействием сигналов на раз- дельных шинах канала и абонента, обозначенных в СЛСА буква- ми К и А. Заметим, что произведения суммарных количеств линий и циклов обмена у всех интерфейсов близки друг к другу; наимень- ший размер такого произведения имеет приборный ИФ. Широкое применение микропроцессоров (МП) в ФБ вызывает необходимость в разработке ИФ, позволяющих организовать сов- местное функционирование в системе большого количества МП при предоставлении отдельным подсистемам должной самостоя- тельности. В этой связи следует остановиться на разработках интерфейса Fastbus [5.8] и децентрализованного мультипроцес- сорного интерфейса [5.9]. В интерфейсе Fastbus в отличие от стандарта КАМАК пред- усматриваются магистральная двунаправленная структура шин с параллельной обработкой данных на уровне подсистем первой ступени и облегченным обменом данных между этими подсисте- мами, адресация модуля независимо от его положения в крейте, увеличенная скорость обмена информацией (до 10 МГц). Децентрализованный мультимикропроцессорный магистраль- ный интерфейс [5.9] обладает следующими основными особенно- стями: управление магистралью осуществляют (с учетом приори- тетов) активные модули-задатчики, магистраль состоит из 32 мультиплексируемых линий данных и адресов, четырех линий управления и трех линий синхронизации, время передачи адре- са и данных составляет около 400 нс, при необходимости шины управления могут употребляться для передачи данных. Структу- ра системы, обслуживаемая этим интерфейсом, представлена на рис. 5.14. В этой структуре предусмотрено введение в систему дополнительных спецпроцессоров и памяти общего пользования. По мнению авторов [5.9], этот интерфейс позволит осущест- вить перспективную систематизацию, унификацию и стандарти- зацию параметров интерфейса и соответствующего программно- го обеспечения для АСУ и автоматизированных систем научных
децентрализованной мультимикропроцессорной Рис. 5.14. Структурная схема системы исследований и комплексных испытаний на довольно длительный срок. В заключение нужно отметить, что в теоретическом плане «оптимизация» цифровых ИФ далека от решения. 5.8. ОБ АНАЛОГОВЫХ ИНТЕРФЕЙСАХ ИЗМЕРИТЕЛЬНОЙ ЧАСТИ ИИС Аналоговая часть обязательно присутствует во всех ИИС и определяет во многом их возможности и характеристики. При этом следует различать измерительную и служебную аналоговые части. В большинстве случаев в служебной аналоговой части ИИС действуют сигналы относительно высокого уровня, слабо подвер- женные влиянию внешних факторов, параметров каналов связи. Для этой части, видимо, можно ограничиться довольно грубым нормированием энергетических и временных параметров сигна- лов, а также параметров линий сигналов. Существенно более трудная задача связана с созданием интер- фейса аналоговой измерительной части ИИС. Это объясняется тем, что искажение в ней измерительных сигналов может приве- сти к резкому ухудшению метрологических характеристик систе- мы. В связи с этим далее приводятся соображения об интерфейсе аналоговой измерительной части ИИС. Такой интерфейс должен обеспечить совместную работу дат- чиков, измерительных цепей, работающих с ними, нормализую- щих (унифицирующих) элементов, коммутаторов аналоговых из-
мерительных сигналов, входных устройств, линии связи, соединя- ющих аналоговые ФБ, и т. п. К наиболее важным характеристикам аналогового интерфейса измерительной части ИИС следует отнести погрешность измере- ния (положим, удовлетворяющую ряду ±5; ±2,5; ±1; ±0,5; ±0,25; ±0,1%’), быстродействие (положим, 5; 1; 0,1; 10-2; 10 s; 10~4 с на одно измерительное преобразование), удаление объекта измерения от аппаратуры (например, до 5 м—внутренний монтаж,, до 100 м — на установках, до 3000 м — в цехах, до 10 000 м — на заводе, в распределенном производстве). Следует также оценить уровни и характер помех, действующих в месте работы ИИС. В аналоговой измерительной части могут быть использованы сигналы с непрерывными и импульсными видами модуляции, ре- ализованы структуры как непосредственного, так и компенсаци- онного преобразований. Видимо, для каждого вида модуляции, метода измерения, уровня сигнала и помех и исходя из перечисленных выше харак- теристик могут быть даны рекомендации по выбору линий связи (тип проводов), параметров сигналов, входных и выходных со- противлений, мер защиты от продольных и поперечных помех (симметрирование, гальваническая развязка, бифилярная провод- ка, экранирование, заземление, коаксиальная проводка и т. п.)„ параметров коммутационных элементов (разъемы, ключи и пр.). Нужно заметить, что по аналоговым интерфейсам ИИС име- ются определенные материалы: ГОСТ по унифицированным сиг- налам, результаты многочисленных исследований измерительных (в том числе телеизмерительных) устройств с различными вида- ми модуляции сигналов, данные по стандартизации сопряжения аналоговых устройств в отдельных отраслях ИИТ. Особенно следует отметить работу, проведенную в области стандартизации аналоговой части бортовых комплексов оборудо- вания [5.10]. В результате ее проведения сконцентрирован и про- анализирован большой опыт по проектированию, изготовлению и эксплуатации аналоговой части бортовых систем летательных аппаратов. Видимо, многие рекомендации, имеющиеся в этих до- кументах, могут быть использованы при создании аналоговых интерфейсов ИИС. Нужно подчеркнуть, что при проектировании любой ИИС не- обходимо правильно решить указанные выше вопросы разработ- ки интерфейса аналоговой части системы.
Г лава 6 ОСНОВНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ СРЕДСТВ МИКРОПРОЦЕССОРНОЙ техники 6.1. ЭВМ И СРЕДСТВА МИКРОПРОЦЕССОРНОЙ ТЕХНИКИ В ИИС Программируемые средства вычислительной техники употребляются в ИИС, шо-первых, при совместном выполнении измерительных и вычислительных про- цедур, необходимых для получения результатов измерения, во-вторых, для обра- ботки измерительной информации и, в-третьих, для организации программного управления работой ИИС. Эти функции выполняются в ИИС универсальными .и программируемыми клавишными ЭВМ и в резко возрастающем объеме сред- ствами микропроцессорной техники (микропроцессорами и микропроцессорными комплектами). Перспективным представляется использование в ИИС ЗУ. Здесь приводятся основные характеристики и излагается принцип действия перечисленных средств вычислительной техники в таком объеме, который не- обходим для понимания особенностей их работы в ИИС, а также для перво- начальной оценки целесообразности использования того или иного вычислитель- ного средства при проектировании систем и комплексов. Необходимо учитывать, что микроэлектроника развивается очень быстро, л поэтому приведенные в книге фактические данные могут устареть даже к мо- менту выхода в свет этой книги. С учетом производительности, стоимости и ряда других факторов ЭВМ под- разделяются на группы: большие и средние, малые (мини-ЭВМ) и микро-ЭВМ. Наиболее распространенными отечественными ЭВМ первой группы являются ЭВМ единой системы — ЕС ЭВМ. Единая система ЭВМ представляет комплекс программных и аппаратных средств общего назначения, причем все ЭВМ, вхо- дящие в ЕС, обладают информационной, программной и аппаратной совмести- мостью. Использование ЭВМ первой группы при построении ИИС имеет ряд особен- ностей: ЭВМ этого класса дороги, они требуют довольно больших, специально оборудованных помещений, для их обслуживания необходим штат высококвали- фицированных специалистов, полная и эффективная загрузка таких ЭВМ требует значительных усилий. Исходя из этого, использование больших и средних ЭВМ оправдано при построении сложных многомашинных ИИС, в которых таким ЭВМ отводится роль главных. Главная ЭВМ, как правило, осуществляет управ- ление другими ЭВМ и производит окончательную обработку информации. Учитывая вышеизложенное, вопросы использования ЭВМ первой группы при построении ИИС здесь не рассматриваются. Необходимость решения задач, связанных с автоматизацией измерений, кон- троля и управления технологическими процессами, предварительной обработкой информации, поступающей по линиям связи, привела к появлению компактных быстродействующих ЭВМ с коротким словом и упрощенной системой команд, получивших название мини-ЭВМ. В нашей стране выпускаются мини-ЭВМ СМ-1, СМ-2, СМ-3, СМ-4, «Электроника-125» и др. Следует отметить, что мини-ЭВМ являются основой для построения ряда управляющих и измерительных вычислительных машин и комплексов. Совре- менные мини-ЭВМ по многим своим характеристикам мало отличаются от сред- них ЭВМ. Действительно, быстродействие современных мини-ЭВМ достигает
106 операций/с, емкость памяти —от 4 до 256 тыс. слов, разрядность — от 12 до 32 (преимущественно 16) двоичных разрядов, количество команд — до 200,. они имеют гибкую систему прерываний и приоритетов, при программировании используются алгоритмические языки высокого уровня и т. д. Особенности организации малых ЭВМ в значительной мере связаны с ко- ротким машинным словом. Это приводит, с одной стороны, к повышению бы- стродействия, но с другой — к сокращению количества команд и ограничению емкости памяти, к вынужденному использованию относительной, косвенной и. других видов адресации, к тому, что преимущественно используется одноадрес- ный формат команд. Следует также отметить, что большие и средние ЭВМ имеют преимущество перед малыми, а малые — перед микро-ЭВМ в области более полного и обладающего лучшими характеристиками набора периферийных устройств и программного обеспечения. Микроэлектронная промышленность выпускает большое количество типов; микропроцессоров (МП), микро-ЭВМ и микропроцессорных комплектов инте- гральных микросхем (МПК ИС). Широкое распространение этих микропроцес- сорных средств объясняется, в первую очередь, малыми габаритами, низкой, стоимостью, повышенной надежностью и универсальностью, связанной с програм- мным принципом работы [6.1]. Микро-ЭВМ (микропроцессорная вычислительная машина) — это ЭВМ, со- стоящая из МП, полупроводниковой памяти и средств связи с периферийными, устройствами. Под МП понимается программно-управляемое устройство обработки цифро- вой информации, конструктивно выполненное в виде одной или нескольких БИС,, входящих в состав МПК ИС. Микропроцессор по своим функциям и структуре напоминают упрощенный вариант процессора обычных ЭВМ [6.2, 6.3]. Микропроцессорный комплект ИС представляет собой совокупность микро- процессорных и других интегральных микросхем, совместимых по информацион- ным, энергетическим характеристикам и по конструктивно-технологическому исполнению и предназначенных для совместного использования при построении МП, микро-ЭВМ, контроллеров и других средств вычислительной техники. Перейдем к рассмотрению основных характеристик этих микропроцессорных средств. 6.2. МИКРО-ЭВМ Известны три основные разновидности микро-ЭВМ. Многоплатная микро-ЭВМ — это ЭВМ, выполненная на несколь- ких платах, объединенных в единых типовых конструкциях вместе с органами управления, индикации и источником питания. Такая ЭВМ может использоваться как автономно, так и в качестве встраиваемого блока. Структурная схема такой микро-ЭВМ приведена на рис. 6.1. В общем случае в состав микро-ЭВМ могут входить: микропроцессор CPU-, генератор тактовых импульсов GN; система па- мяти, хранящая данные и программы и состоящая из оперативного, постоянного- и перепрограммируемого ЗУ; устройства ввода-вывода УВВ, куда входят считы- ватели с перфолент, с перфокарт, электрифицированные пишущие машинки, дис- плеи, графопостроители, телетайпы, пульты управления микро-ЭВМ; внешняя память обычно накопитель на гибком магнитном диске или кассетный нако- питель на магнитной ленте. Все перечисленные составные части соединяются через устройства связи, обеспечивающие нормальную работу микро-ЭВМ.
Система памяти Рис. 6.1. Структурная гро-ЭВМ Одноплатная микро-ЭВМ — вычислительная машина, в которой процессор, система памяти и устройство связи с УВВ выполнены на одной •плате. Такая микро-ЭВМ, как правило, не имеет собственного источника питания, органов управления, индикации и предназначена для использования преимущест- венно в качестве встраиваемого устройства. Однокристальная мйкро-ЭВМ — БИС, содержащая процессор, память (естественно, меньшей емкости) и каналы ввода-вывода. Такая микро- ЭВМ применяется преимущественно в виде встраиваемого устройства. Пользователя в первую очередь ин- тересует совокупность свойств и харак- теристик микро-ЭВМ, позволяющая осу- ществить обоснованный выбор той или иной микро-ЭВМ. Рассмотрим основные характери- стики микро-ЭВМ. Назначение микро-ЭВМ. Микро- ЭВМ может применяться в качестве вы- числительного или управляющего устрой- ства, програмно-управляемого или — нетрадиционно — с заданием алгоритма работы аппаратным способом. Команды в микро-ЭВМ. По функциональным признакам можно выделить команды обработки данных, управления и пересылки. Современные микро-ЭВМ позволяют применить от 20 до 512 команд с форматом от 1 до 4 байт. Наиболее схема мик- типична одноадресная команда. Система прерываний необходима при совместной реализации нескольких программ. При наличии такой системы выполнение текущей программы в случае необходимости может быть приостановлено, и ЭВМ перейдет к выполнению другой, более важной программы. Прерывание осуществляется по приходе сиг- нала от источника прерываний, каковым может являться сигнал как от внутрен- них блоков (и программ) ЭВМ, так и от внешних устройств. Важность отдель- ных программ известна заранее, при этом используется приоритетный принцип. Такая организация процесса вычисления особенно необходима при использовании микро-ЭВМ для управления (например, аварийный режим должен вызвать пе- реход на другую подпрограмму). Организация ввода-вывода. Обмен данными между микро-ЭВМ и периферий- ными устройствами осуществляется путем программно-управляемой передачи данных или при прямом доступе к памяти. В первом случае передачей данных управляет специальная программа, реализуемая в микро-ЭВМ (скорость пере- дачи — одно слово за цикл выполнения программы передачи). Во втором случае информация записывается из внешних устройств в ОЗУ без участия процессора, причем для осуществления прямого доступа к памяти необходимо устройство сопряжения более сложное, чем в первом случае. Следует отметить, что при прямом доступе к памяти передача информации осуществляется, как правило, быстрее и время записи определяется, в основном, быстродействием устройств памяти. Режим прямого доступа к памяти используется для передачи больших массивов данных, например из внешних ЗУ. В большинстве микро-ЭВМ связь процессора, оперативной памяти и устройств
ввода-вывода друг с другом осуществляется через оощую магистраль («Общая шина»). Основными достоинствами такой организации процесса обмена являются простота и возможность видоизменять состав оборудования (см. гл. 5). Система адресации. Одной из важнейших характеристик микро-ЭВМ являют- ся применяемые в ней виды адресации или способы обращения к памяти. Это объясняется тем, что обращение к памяти является наиболее распространенной операцией, кроме того, прямое обращение к памяти большой емкости при отно- сительно небольшой разрядности микро-ЭВМ невозможно (действительно, если размер слова равен байту, то непосредственно можно обращаться только к 256 ячейкам памяти, что во многих случаях недостаточно). Поэтому в микро- ЭВМ используются прямая, относительная, косвенная адресации с их модифи- кациями. Программное обеспечение. В настоящее время стоимость разработки про- граммного обеспечения составляет 50—80 % общей стоимости разработки ЭВМ и составляет значительную часть при разработке измерительно-вычислительных средств. Программирование может осуществляться на машинном языке, языке ассем- блера, языках высокого уровня. Ручное программирование в машинных кодах (командах) можно применять для небольших задач. В этом случае не требуется специальных аппаратных средств и получаются более компактные программы с эффективным использова- нием памяти. Основное преимущество языка ассемблера над машинным заключается в том, что программирование на нем выполняется в символических обозначениях, более простых, чем машинные коды. В этом случае могут использоваться как аппаратные средства, так и специальная программа для перевода с языка ассемблера на машинные коды. При этом программа получается более длинной, чем в первом случае, и часть памяти занята программой ассемблера. Языки высокого уровня (АЛГОЛ, ФОРТРАН, БЭЙСИК, PL/1 и др.) дают возможность специалисту программировать на языке, близком к профессиональ- ному. При этом резко ускоряется программирование, при передаче программы с машины на машину не нужно программу составлять заново. Но зато объект- ная программа (программа в машинных кодах) получается еще большей по объему, чем при применении ассемблера, здесь также нужны специальные аппа- ратные и программные средства для перевода программы на машинный язык. Используются языки высокого уровня для крупных программ (более 1000 байт). Различают пять основных классов средств программирования: редактирую- щие программы, транслирующие программы (ассемблеры, компиляторы и интер- претаторы), программы-загрузчики, моделирующие программы и отладочные программы. Редактирующие программы облегчают создание исходной програм- мы. Транслирующие программы переводят исходную программу на машинный язык. Загрузчики переносят объектную программу из внешней памяти, например перфоленты, в память микро-ЭВМ. Моделирующие программы позволяют про- верить объектную программу при отсутствии микро-ЭВМ. Отладочные програм- мы облегчают процесс отладки. Все эти средства делятся на кросс-средства и резидентные средства. Кросс- средства это программы, которые позволяют осуществить разработку программ на другой, как правило, более мощной ЭВМ. Резидентные средства -— это про-
Таблица 6.1. Характеристики микро-ЭВМ Тип микро-ЭВМ Структура команд* Разрядность Количество команд Количество уровней пре- рывания Быстродействие, мкс Сложение Умноже- ние Логиче- ские опе- рации Команды управле- ния Цикл ра- боты ОЗУ «Электроника-60» 0, 1, 2 16 81 8 4,5 40 6 1С 2,5 «Электроника С5-12» 0, 1 16 31 500 17 003 1000 600 2,5 «Электроника С5-21» 0, 1 16 31 3 20 3400 10Э 2.0 2,5 О — безадресные, I — одноадресные, 2—двухадресные. граммы, которые выполняются на той микро-ЭВМ или МП, для которых раз- рабатывается программа. В настоящее время из-за ограничений памяти микро-ЭВМ и отсутствия транслирующих программ пользователи вынуждены, в большинстве случаев, со- ставлять программу в машинных кодах. По мере появления транслирующих программ и увеличения емкости памяти микро-ЭВМ доля программ, написанных на языках высокого уровня, для решения более сложных задач будет воз- растать. В этой книге предлагаются и используются содержательные логические схе- мы алгоритмов, которые можно отнести в программно-выполняемой их части, — к программам, написанных на языке типа ассемблера. Использование СЛСА позволяет формализовать описание алгоритмов работы системы и перейти к со- ставлению программы в машинных кодах. Технические характеристики микро-ЭВМ, определяемые развитием электрон- ной техники, за очень короткое время претерпевают довольно значительные изме- нения. Поэтому приведенные в табл. 6.1 данные по микро-ЭВМ позволяют по- лучить лишь представление об их возможностях. В заключение следует отметить, что микро-ЭВМ в настоящее время еще уступают мини-ЭВМ по разрядности (8—16 двоичных разрядов), быстродействию, (до 500 тыс. операций в секунду), емкости памяти (4—64 Келов) и по составу периферийного оборудования, однако имеют значительное преимущество по раз- мерам и стоимости, что и определяет их все возрастающее применение.
Наличие ПДП Емкость ОЗУ ПЗУ, Келов Связь с ВУ (тип интер- фейса) Быстродейст вне КВВ, кбит/с ч о > с * CJ >.35 t- о Я Я ж аз « о х ф н я Элементная база (МПК) по Есть От 4 до 32 Оэщая шина 1003 Много платная К581 Пакет стандартных программ, трансляторы с языков ФОР- ТРАН, БЕЙСИК, АССЕМБЛЕР, тестовые программы Есть От 0,128 до 2 ИФЭВМ 80 Одно- платная К536, К535 Диспетчер, библиотека стан- дартных подпрограмм, тран - слятор с языков ассемблера и БЕЙСИК, профилактические тесты Есть От 0,256 до 2 ИФЭВМ 803 Одно- платная К586, К535 Кросс-ассемблер, транслятор с языка БЕЙСИК, моделирую- щие программы 6.3. МИКРОПРОЦЕССОРЫ В общем случае в состав МП входят арифметико-логическое устройство (АЛУ), блок внутренних регистров, устройство управления (УУ), магистральные шины данных и ввода-вывода и устройство, осуществляющее связь МП с внеш- ними устройствами. Арифметико-логическое устройство МП аппаратно выполняет несколько про- стейших операций: сложение, вычитание, логическое И, логическое ИЛИ, сло- жение но модулю 2, пересылку, сдвиг и др. Более сложные действия выполняют- ся по микропрограммам и подпрограммам. Виды операций, выполняемых АЛУ, а также состояние МП запоминаются на регистрах состояния. Блок внутренних регистров содержит регистры общего назначения (РОИ), команд, адреса, стек, указатель стека, индексные регистры, счетчик команд, ре- гистр состояния, прямого доступа к памяти, накопительный регистр и т. д. Наличие внутренних регистров резко расширяет возможности АЛУ и позволяет повысить быстродействие МП. Следует заметить, что конкретные типы МП со- держат различное количество перечисленных регистров. Очень часто функции этих регистров выполняют либо РОН, либо ячейки внешней памяти или же такие функции отсутствуют вообще. Устройство управления МП в зависимости от способа организации управле- ния может быть выполнено в одной из двух модификаций: функция управления реализуется с применением либо аппаратных средств, либо микропрограммиро- вания.
Устройство управления первого типа в зависимости от кода соответствующей команды вырабатывает последовательность сигналов, необходимую -для выпол- нения МП предписанной командой-операции. В таком УУ обязательно наличие сложных в функциональном отношении дешифратора команд и блока формиро- вания сигналов управления. При сравнительно высоком быстродействии такая организация процесса управления имеет существенный недостаток: при необхо- димости изменения отдельных команд или введении новой требуется передел- ка УУ. Второй способ организации процесса управления предполагает наличие спе- циального ЗУ микрокоманд, хранящего набор микропрограмм, соответствующих кодам операций. Последовательное выполнение этих микропрограмм обеспечи- вает появление необходимых сигналов управления в МП, чем достигается вы- полнение соответствующей операции. При таком варианте построения УУ изме- нение состава команд сводится к замене содержимого ЗУ микрокоманд. Однако постоянное обращение к ЗУ микрокоманд ограничивает быстродействие МП. В различных МП используются одна, две или три внутренние шины, что существенно влияет на характеристики МП. Увеличение числа шин приводит к повышению быстродействия (появляется возможность выполнения операций за меньшее количество тактов), но при этом часть площади кристалла занимается шинами. При уменьшении числа шин операции в МП выполняются за несколько тактов и появляется необходимость в дополнительных регистрах, правда, при этом функциональные возможности МП расширяются. Количество внешних интерфейсных шии у разных МП колеблется от одной до трех. По этим шинам передаются данные, управляющие сигналы и адреса. В зависимости от числа шин эти операции производятся за различное число тактов, что в значительной мере определяет быстродействие МП. У МП с тремя шинами по шине данных передаются операнды ’(числа, над которыми осуществляются операции) и команды. Внешняя шина адреса МП необходима для адресации к внешней памяти и другим внешним устройствам. По двунаправленной шине управления передаются сигналы от внешних устройств к МП и обратно. Эти сигналы могут характеризовать состояние внеш- них устройств. С помощью сигналов управления осуществляются запрос и разре- шение на прерывание, а также запись и считывание информации при работе с внешней памятью и т. п. Структурно МП может быть выполнен в одной из двух известных модифи- каций: с фиксированной разрядностью обрабатываемых слов и фиксированной си- стемой команд (например, МП из МПК К580); с возможностью наращивания разрядности обрабатываемых слов (секциони- рованные МП) и микропрограммным управлением (например, МП из МПК К589). Структура МП первого типа во многом повторяет структуру ЭВМ малой и средней производительности. Логическая структура секционированных МП с на- ращиваемой разрядностью существенно отличается от предыдущего типа МП. В таком МП операционная часть (АЛУ, регистры общего и специального на- значения, дешифратор микрокоманд и т. п.) разделена на равные части (по 2, 4, 8, 16 разрядов), которые называются секциями. Количество таких секпий за- висит от решаемых МП задач и определяется потребителем. Устройство управ-
гления в секционированных МП реализуется в виде отдельных интегральных микросхем большой, средней и малой степени интеграции (например, БИС микро- программного, управленья, БИС ПЗУ микрокоманд и т. п.). 6.4. МИКРОПРОЦЕССОРНЫЕ КОМПЛЕКТЫ ИНТЕГРАЛЬНЫХ МИКРОСХЕМ В составе МПК ИС можно выделить следующие основные группы инте- гральных микросхем большой степени интеграции (БИС): БИС, на основе которых строится МП, — это так называемый базовый ком- плект; ' - БИС запоминающих устройств, образующих систему памяти (микросхемы ОЗУ, ПЗУ, ППЗУ); • БЙС, осуществляющие связь между отдельными узлами вычислительного устройства: между МП и УВВ — АЦПУ, графопостроителями, дисплеями, фото- считыв'а'телямй, внешними накопителями информации и т. п.; БИС, используемые при создании управляющих и измерительных комплексов, которые осуществляют связь между МП и объектом, — АЦП, ЦАП, компарато- ры,- преобразователи, усилители и т. п. Таблица 6.2. Характеристики микропроцессорных комплектов интегральных микросхем серий К580 и К589 а*. J3 ь Ь Ф а г- «CQ Ф £ ф - KPQ 6 д а. , С Тип МИК- Функциональное назначение о д' а ь ф К £ к « * а ш й S ро схемы схемы < о Sss е о Ф е£о - а S сп £ н ~ а £ Ф аг ьЗ о о сх ге Е Ь « я У и .. - .Н IX Л!«о И д л Е s X Е - а СО К580 КБ80ИК80 мп 8 0,5 0,8 5; 12; 48 -10-3- К580ИК51 —5 -4-70 Последовательный пери- ферийный адаптер 8 0,5 0,4 5 48 К580ИК55 К589 Параллельный перифе- рийный адаптер 8 0,5 0,35 5 48 К589ИК1 Блок микропрограммно- 2 п 15 1,2 5 40 -10-^ К589ИК02 го управления -4-70 Центральный процессор- 2 п 14 1,0 5 28 ный элемент К589ИК03 Схема ускоренного пе- 8 100 0,6 5 28 К589ИР12 реноса Многорежимный буфер- ный регистр 8 2Б 0,8 5 24 К589ИР14 Блок приоритетного прерывания 4 12,5 0,8 5 ; д КБ89АП16 Шинный формирователь 4 53 0,7 5 16 К589АП26 Шинный формирователь 4 63 0,7 п 16 К589ХЛ4 с инверсией Многофункциональное 4 25 0,8 5 16 К556РТ4 синхронизирующее уст- ройство ППЗУ 1 К 14 0,7 5 16 КБ56РТ5 ППЗУ 4К 12,5 0,8 5 24 К556РТ6 ППЗУ 16 к 10 1,0 5 24 К556РТ1 Электрически програм- мируемая логическая мат- рица — 20 1,0 5 28
Базовый МПК ИС может состоять из одной БИС — однокристальный МП, двух БИС — двухкристальный МП, нескольких БИС — многокристальный МП. В устройствах, осуществляющих связь между МП и УВВ, МП и ВУ (или объектом), используются так называемые контроллеры, являющиеся устройства- ми логического управления. Они могут строиться иа базе микропроцессорных БИС и других интегральных микросхем меньшей степени интеграции. В табл. 6.2 для иллюстрации приведены данные МПК К580 и К589, широко используемых на практике. Следует учесть, что при построении устройств иа базе конкретного МПК можно использовать интегральные микросхемы, ие входящие в его состав, на- пример ИС МПК К536 хорошо согласуются с ИС К535 и т. д. Более подробно с этими, а также другими связанными с функционированием отдельных ИС МПК вопросами можно познакомиться по [6.2, 6.3]. МПК имеют разрядность 2Х«, 4Хп, 8Х«, 8 и 16, включают от 3 до 12 типов БИС, имеют быстродействие от 30 до 500 тыс. операций в секунду, мощность, потребляемая одной БИС, колеблется от 0,001 до 1,2 Вт. При организации обмена информацией в МПК преимущественно использует- ся интерфейс «Общая шина». В ближайшее время нужно ожидать повышения производительности БИС, входящих в состав МПК, создания БИС памяти емкостью до 256 Кбайт, разра- ботки для микро-ЭВМ резидентных трансляторов языка высокого уровня, спе- циализированных БИС (быстрого преобразования Фурье, ассоциативных процес- соров и т. п.). В настоящее время имеются факторы, затрудняющие применение МПК. К таким факторам в первую очередь относятся отсутствие промышленного вы- пуска средств отладки систем с МПК и программ их работы, неполнота выпус- каемых МПК (в некоторых МПК нет системных контроллеров, узлов сопряже- ния и др.), различающиеся интерфейсы в разных МПК, отставание в выпуске АЦП, ЦАП и отсутствие миниатюрных, простых и дешевых периферийных устройств, ориентированных на работу с МПК. 6.5. ПРОГРАММИРУЕМЫЕ КЛАВИШНЫЕ ЭВМ При построении ИВС могут использоваться программируемые электронные клавишные вычислительные машины (ПЭКВМ) или программируемые кальку- ляторы [6.4]. Примером таких ПЭКВМ могут служить «Электроника-70», «Элек- троника-70М», «Электроника С-50» и ПЭКВМ фирмы «Хьюлетт-Паккард» (США): НР9815, НР9825, НР9830, НР9845. В ПЭКВМ программа и исходные данные вводятся непосредственно с клавиатуры. Составление программы на язы- ке ПЭКВМ значительно проще и удобнее для пользователя, чем аналогичной программы для малых ЭВМ. По своей структуре ПЭКВМ сходны с микро-ЭВМ с микропрограммным управлением. Различие заключается в том, что ПЭКВМ обязательно имеют бло- ки индикации и клавиатуры, что же касается интерфейсных блоков, связываю- щих ПЭКВМ с внешними устройствами, то они представлены в значительно^ меньшем количестве, чем у микро-ЭВМ. Чтобы яснее представить возможности современных ПЭКВМ, приведем их основные технические характеристики [6.4]. В ПЭКВМ используются два спо- соба представления чисел — с фиксированной и плавающей запятой, разряд-
ность__чаще всего 8—10 десятичных знаков; емкость ОЗУ — от сотен слов до 4 Кбайт и более (во многих ПЭКВМ предусмотрена возможность наращивания емкости памяти); цикл обращения к памяти, как правило, не превышает 2 мкс, время выполнения основных операций составляет примерно 1—100 мс. Широко используются программируемые БИС ПЗУ для организации микропрограммного управления; разрядность и емкость таких ПЗУ зависит от структуры и органи- зации ПЭКВМ. В качестве периферийного оборудования используются чаще всего печатающее устройство, иногда графопостроитель, может проводиться работа с внешним ЗУ. Интерфейсный блок позволяет осуществить управление внешними приборами. Наиболее распространенными языками программирования для ПЭКВМ являются алгебраические (формульные) и алгоритмические языки высокого уров- ня (чаще всего язык БЕЙСИК). В простейшем случае каждой команде (опера- тору) соответствует одна клавиша. При увеличении количества команд оператор команды задается с помощью нескольких алфавитных символов. При редактировании и отладке программы осуществляется вывод на инди- катор операторов и операндов, записанных ранее в ОЗУ. Большинство совре- менных ПЭКВМ имеет специальные клавиши для выполнения команд редакти- рования, таких, как сдвиг программы и ее частей вперед и назад, стирание или замена оператора или операнда, вставка пропущенного оператора или операнда и т. д. После того как программа проверена и отредактирована, осуществляется ее проверка в пошаговом режиме с контролем промежуточных результатов. Только после получения ожидаемого результата программа окончательно готова. Теперь она может быть выведена из ОЗУ по шиие данных через интерфейсный блок на встроенный магнитный кассетный накопитель, ленточный перфоратор или цифровую печать. По сравнению с мини-ЭВМ ПЭКВМ имеют меньшее быстродействие и мень- шую емкость памяти, кроме того, в них отсутствует система прерывания и менее представительно осуществляется связь с внешними устройствами. Меньшее быстродействие ПЭКВМ объясняется, во-первых, большой разряд- ностью, а во-вторых, каждая команда ПЭКВМ (за исключением логических) эквивалентна 100, а то и более командам мини-ЭВМ (например, умножение десятичных чисел в системе с плавающей запятой, вычисление тригонометриче- ских функций и т. д.), поэтому разница в быстродействии достигает 5—10 раз. Оперативная память ПЭКВМ расходуется более экономно и эквивалентна ОЗУ значительно большей емкости мини-ЭВМ. С учетом вышеизложенного применение ПЭКВ оправдано при построении относительно несложных и медленнодействующих ИИС, в которых обработка информации от измерительных преобразователей осуществляется последователь- но. Следует отметить, что в этом случае ПЭКВМ может быть использована для проведения расчетной работы (помимо работы в составе ИИС). Для ИИС высокой производительности, с большим составом разнообразного оборудования, обработкой информации, содержащей большое количество логиче- ских операций и выполняемой в реальном масштабе времени с использованием системы прерываний, предпочтение следует отдать универсальным программируе- мым вычислительным устройствам. Промышленностью выпускаются специализированные управляющие вычисли- тельные устройства типа «Электроника ДЗ-28» и «Электроника ТЗ-29», которые построены на сочетании принципов построения ПЭКВМ и управляющих ЭВМ.
Они предназначены для обработки данных и автоматизации научно-технических расчетов, для построения автоматизированных систем контроля и управления и информационно-справочных систем с малым объемом данных. Запись информации в ОЗУ может осуществляться с клавиатуры, с кассеты встроенного накопителя МЛ, с периферийных устройств или с устройств, имею- щих прямой доступ к памяти. Управление операциями может осуществляться по программе, с клавиатуры и из периферийных устройств. Рассматриваемые машины обеспечивают взаимодействие с комплексом пери- ферийного оборудования, в состав которого могут входить различного рода источники цифровой информации, устройства хранения, приема, выдачи и ото- бражения информации, совместимые по интерфейсу ввода-вывода. «Электрони- ка Д2-28» имеет интерфейс типа «Общая шина», а «Электроника Т2-39» — стан- дартный приборный интерфейс. В качестве устройств ввода-вывода в рассмат- риваемых ЭВМ используются указанные ранее клавиатура и индикаторное таб- ло на 32 цифры, а также пишущая машинка типа «Консул-260.1», фотосчиты- вающее устройство типа FS-1501 и перфоратор ПЛ-150. Объем информации, который можно хранить с помощью МЛ на одной сто- роне кассеты, — до 200 Кбайт, а скорость чтения — записи—около 445 байт/с. Максимальная скорость обмена (ввод-вывод) информацией с периферийными устройствами, число которых практически ие ограничено, равна примерно 70 кбайт/с. Вышеуказанные ЭВМ работают с 16-разрядными двоичными и десятичными числами в режиме с фиксированной и плавающей запятой, имеют примерно 460 программируемых команд, емкость ОЗУ от 16 К до 32 Кбайт, используют 12 типов адресации. При работе могут использоваться прямой доступ к памяти и система прерываний, имеющая три внешних уровня прерывания (по пяти раз- личным сигналам) и один внутренний (по сигналу некорректности операции). В соответствии с техническим описанием ЭВМ «Электроника ДЗ-28» пример- ное время выполнения отдельных операций составляет: для операции управле- ния — 0,079 мс, логических операций — 0,049 мс, операций сложения, вычита- ния — 0,77 мс, умножения, деления — 4,67 мс, вычисления тригонометрических функций — 67 мс. ЭВМ «Электроника ТЗ-29» обладает значительно более высо- ким быстродействием: так, например, операция сложения в ней выполняется за 12 мкс. При написании программ для «Электроники ДЗ-28» может быть исполь- зован язык БЕЙСИК, а для «Электроники ТЗ-29» — ФОРТРАН. Учитывая вышеуказанное, можно сделать вывод, что при построении отно- сительно медленных ИИС с большим количеством внешних устройств, где не требуется обработка информации в реальном времени, целесообразно использо- вать рассмотренные ЭВМ типа «Электроника ДЗ-28» и «Электроника ТЗ-29». К сожалению, уровень надежности этих машин пока относительно невысок (наработка на отказ при доверительной вероятности 0,8 только не менее 1000 ч). Однако с улучшением технологического процесса изготовления и более широким применением БИС уже в ближайшее время будут достигнуты более высокие показатели надежности. 6.6. ТАБЛИЧНЫЕ МЕТОДЫ ПРЕОБРАЗОВАНИЯ ИНФОРМАЦИИ Обычным в ИИС является применение ЗУ для хранения информации и со- гласования динамических характеристик различных частей систем путем измене- ния отношения скорости записи (в ЗУ) и воспроизведения (из ЗУ) информации.
Рис. 6.2. Матрица умножения Заслуживает серьезного вни- мания возможность занесения в ЗУ по заданным адресам резуль- татов и последующего использо- вания подсчитанных или опреде- ленных заранее функций от этих адресов. При этом как бы реали- зуется автоматический поиск го- тового результата вычислений в таблице. При одноадресной реализа- ции поле адресов Z соответству- ет множеству значений функций F(Z) и имеется возможность по- лучения последовательности за- ранее определенных результатов преобразований информации z : = Fi (z) : — =F2[Fj(z)] ... Преобразования F, могут быть преобразованиями кодов, лога- рифмическими, тригонометрическими и другими функциями одного аргумента.. С помощью таких преобразований может производиться, в частности, линеари- зация результатов измерения. При двухадресной реализации zjz2 можно отыскивать заранее определенные- функции двух переменных: (zb z2) : =Чг1(г!, z2) : =4r2[4ri(zi, z2)] ... Если адре- са (переменные) представлены в число-импульсном коде, то возможно исполь- зование матричных сеток [6.5, 6.6]. Структура их будет зависеть от вида вы- полняемых преобразований и заданных погрешностей. На рис. 6.2 представлена- матрица умножения чисел zj и z2. При подаче сигналов на входы Zi и z2 обра- зуется цепь, выдающая сигнал в зоне, обозначающей значение предварительно подсчитанных произведений этих чисел. На матрице выделены зоны равных зна- чений произведений чисел zi и z2 (например, 2X10 и 10X2, 4X5 и 5X4 и др.), объединенных с учетом заданных погрешностей округления результата. Наиболь- шие значения произведений всех зон показаны на матрице справа. Для реализации заданной последовательности поиска результатов нескольких преобразований может быть организована схема, содержащая несколько после- довательно соединенных матриц. На рис. 6.3 показана структурная схема устрой- ства, выполняющего поиск результата вычисления по формуле 1ЕЭф = =zi/Fi(z2, z3)z-z,. На выходе этого устройства производится статистическая раоотка, связанная с получением распределения реализовавшихся значений 1ЕЭф. Значительно большими возможностями обладают реализации табличных ме- тодов преобразования информации, оперирующие с двоичными кодами и осно- ванные на использовании полупроводниковых ЗУ. Современная электронная про,- ПЗуЛеНН0СТЬ выпУ(Кает полупроводниковые ЗУ различного назначения (ОЗУ,. . ППЗУ, специальные виды ЗУ), со статическим и динамическим методами, ныеНеНИЯ' С РазличнЬ1МИ принципами размещения и поиска информации (адрес- . ’ ассоциативные и др.). Широкое распространение получают программируе- мые логические матрицы ['. 7].
Подробное рассмотрение устройств с табличными методами преобразования информации выходит за пределы настоящей книги, ограничимся лишь кратким рассмотрением общих свойств и некоторых областей возможных применений этих устройств в ИИС. Основные достоинства устройств, основанных на использовании табличных методов преобразования информации, связаны с высоким быстродействием, огра- ниченным лишь временем завершения переходных процессов в устройстве и по- иска готовых результатов, с повышенной надежностью работы, с возможностью выполнения работ по подготовке таблиц готовых решений на высокопроизводи- тельных ЭВМ и программ на языках высокого уровня. Рис. 6.3. Структурная схема матричного устройства Использование ЗУ с двухадресной организацией хранения информации мо- жет обеспечить труднодостижимое другими средствами быстродействие. Для уменьшения емкости ЗУ целесообразно исключить избыточность, связанную с на- личием зон одинаковых результатов предварительно сделанных вычислений. Воз- можно, что здесь окажется полезным разумное сочетание табличного метода и программных вычислений. Табличный метод используется в серийно выпускаемых преобразователях двоично-десятичного кода в десятичный и обратно, двоичного кода в код управ- ления семисегментным индикатором, в программируемых ПЗУ, где можно реали- зовать практически любые преобразователи кодов. Запоминающее устройство используется для хранения и формирования диагностических тестов по извест- ным формальным описаниям объектов диагностики. Линеаризапия характеристик датчиков, нормирование и масштабирование результатов измерения входят .в число задач, которые эффективно решаются табличным методом. Логические программируемые матрицы целесообразно использовать для соз- дания устройств управления, для хранения программ-трансляторов и т. п. В заключение можно сделать вывод, что применение табличного метода, ^реализованного в устройствах с полупроводниковыми ЗУ, может существенно улучшить характеристики систем, упростить выполнение ряда функций благодаря замене части программной их реализации аппаратной. Именно в сочетании про- граммного и аппаратного выполнения функций в системах, в возрастающей роли ЗУ можно усмотреть один из путей развития ИИС.
Часть третья аналого-цифровая ЧАСТЬ ИИС. ИЗМЕРИТЕЛЬНО- ВЫЧИСЛИТЕЛЬНЫЕ КОМПЛЕКСЫ Структура цифровых ИИС, как уже говорилось в гл. 1, со- держит аналоговую, аналого-цифровую и цифровую части. Аналоговая часть таких систем состоит из датчиков и измери- тельных цепей, на выходе которых формируются измерительные- (в большинстве случаев электрические) сигналы. Основная задача аналого-цифровой части ИИС заключается в выполнении совокупности аналого-цифровых преобразований. Цифровая часть ИИС состоит из цифровых вычислительных и управляющих средств, зачастую основанных на микропроцессор- ной технике, устройств хранения и представления информации. Аналого-цифровые и цифровая (преимущественно программи- руемые) универсальные устройства, действующие совместно, обра- зуют измерительно-вычислительный комплекс. Ниже рассмотрим структуры, алгоритмы и характеристики типовых устройств, из которых строятся ИВК. Нужно отметить, что в АСЭТ и других агрегатных комплек- сах ГСП эти устройства входят в номенклатуру нормальных ря- дов и выпускаются промышленностью. Производство таких агре- гатируемых устройств должно обеспечить возможность компоно- вочного проектирования ИВК. Г л а в а 7 АНАЛОГОВЫЕ ЭЛЕКТРОИЗМЕРИТЕЛЬНЫЕ ЦЕПИ 7.1. ВИДЫ МОДУЛЯЦИИ СИГНАЛОВ В ИИС Информационные преобразования в аналоговых измерительных цепях мо- гут осуществляться над сигналами, имеющими различные информативные пара- метры, или, иными словами, над сигналами с различными видами модуляции. В аналоговой части ИИС в качестве модулируемых величин чаще всего- используются периодические гармонические колебания a(t)=Am cos (<j)o/-|-q>o) и 00 периодические последовательности импульсов a(t, 70)= Ф —1/г),гле &=1 ,, J An. W — tk) = \n . , (О, т0< t < tk+i-
Таблица 7.1 Основное соотношение Амплитудная модуляция (AM) Угловая модуляция а (0 == А/п cos 6 (f), t мгновенное значение частоты <о = dfydt, rjkt 6 ^dt 0 Частотная модуляция (ЧМ) | Фазовая модуляция (ФМ) Вид модули- рованного сигна- ла при произ- вольной модули- рующей функции но a(t) = А,п [1 4-mf (0] X X cos (<o0t 4-Уо). где m = ДЛ /А,п — глубина модуляции; АА — девиация г t “ 1 «(0= An COS г J [<о0 4- AoJf (/)] di 4- у0 = (о J ( 1 11 = An cost ь>0 /4-/га у f (/)Л I 4-Тор 1 L о J J где <о = <оо -|-Дсо[ (/); Ды—девиация; т -- Дм/ш0— глубина модуляции a (t) = A„cos {(oof 4- + ?о ]1 +,ге) (0]}; у = у0 + Ayf (t), ... , If (01 •*> (0 — , где ?и = Ду/у0 — глубина моду- ляции; Ду — девиация Вид модулиро- ванного сигнала при f (t) = = cbs [Q (г) 4- + Yo] a(t) = Amcos (y>ot + y0) + + Amm cos (Qt + Yo) X X cos (woi -J- y0) = = A,n cos (coo/ -j- y0) + 4~ cos [(coo 2) t 4- Amm ¥o + Yo] + ’ 2 X <o = coo |-Zsco cos (Qt -J-Yo)! t 6 = v>ot + <f0 + j cos (Qt -f- yo) dt = wof + о Дсо + ?o + - q— sin (Qt + Y-o); Дсо coo P = -q-------индекс модуляции; p. = -g-; (3;= zrzp.; a(t) = Anl cos [wof + ¥o + P sin (Qt 4- y0)] 6 = ш0/ + ?0 -f- д? cos (Qt 4- yo); a (t) = Am cos [<oo/ 4- y0 4- 4-Ду cos (Qt 4-Yo)]J мгновенное значение co = wc — — Ду2 sin (Qf4"Yo): Ды — Ду2— девиация частоты; [J = Ду — индекс модуляции X is [(«о —+ fo —Yo]
Амплитудно- частотный спектор модули- рованного сиг- нала f(t) ~ О — cos (2/ + Yo) //77^ //77 //77^7 I 2 w0-S2 wD w0+Q При (J-»0 A В a(t) = Am cos(<«V + ?o)— ~cos [(<oo — S) t + + ¥o + Vol + cos [(“o + ^) t + ¥o + Yo] Спектр аналогичен ЧМ, ши- рина спектра / Amfi дт Amfi (i) (n)g~£2 UJq При р > 0, = 0, Yo = О tz(Z) — Ат п Д ((5) C0SbV+J^ 4(ЮХ А=1 п Хсоз (ЫО + kQ) t +2 ( — l)feX k=i X cos (“o —fe2) 1 > AmJk(P) <jj0-5S2 Wo Wo+i'Q. При 2kQ~Z)3S2.=Z&w
Таблица 7.2 Вид си тала и спектра Амллитудно-импулъсная модуляция A0=var, т0, Го. t^Q=const Вид модули- рованного сиг- нала fe=l Вид модули- рованного сиг- нала при f (/) = = sin Q/ a (t) = j40 p -|- m sin Qt + CO 00 + J} Ck cos kaot + -y- Ck X fe=i fe=i 00 x Sin (ka0 — Q) t + Ck X £=1 Xsin (£<o0-J-S) /j Вид амплитуд- но-частотного спектра 5 к В п m >io ^0 1К“ Q Q 2ia)qQ coq>2Q
Время импульсная модуляция Ль ^ko = var» ^°’ Т0 — const Односторонняя широтно-импульсная моду- ляция т0 = var, Ло, То = const ТО [ 1 +«2f (<)1 to + ^f (О =тоП +mf (*)1 В а (/) = Ло у + Л0 у sin -у X XSsinSH-J] У) /г=1 п=—со х Sin (few0 + nS) -у sin (faoo + nQ)/ To „ iiT a (t) = Ao ~b Ao sin Qt -j- 1 о 1 о +s Л=1 n=—oo X sin (to0 + /12) t — 00 k=l i-Вк |?jl!byTTh?y S2 ыр~гЯ 2w0+nQ O)o I 2w0 2w0-nQ. 8 2 < 1 % при 4 C p- ' 7 И 0,2<m X 0,4 r n<0 B2 (cOq +f2S?) J 82 "C 1% при 5-Ср г5 7 и 0,4гОи<0,8
В приведенных выражениях Ат — амплитуда; <оо и <р0 — частота и фаза мо- дулируемого колебания; t — текущее время; th — моменты начала импульсов; го__длительность импульсов; То—период следования импульсов. Основные соотношения, характеризующие особенности модуляции гармониче- ских колебаний, представлены в табл. 7.1. При амплитудной модуляции (AM) мощность модулированного сигнала в течение периода ш0 изменяется, ширина частотного спектра AM-сигнала при модулирующем сигнале f (f) =cos [£2(/)+?о] равна 2Птох. AM-сигнал является периодическим только в случаях, когда ш0 и Q кратны. Для частотно-модулированного (ЧМ) сигнала средняя мощность примерно постоянна. Ширина частотного спектра при индексе модуляции р=Дш/Пз>1 равна рй=Дш. При больших (3 для частотной модуляции необходимо исполь- зовать модулируемые колебания довольно высоких частот (при Р= 10, П= =5 кГц, т=0,5, <оо=Ю0 кГц). При фазовой модуляции (ФМ) средняя мощность модулированного колеба- ния также примерно постоянна. Ширина частотного спектра ФМ сигнала равна 2ЙД<р. Отношение мощности сигнала (Рс) к мощности малой флуктуационной по- мехи (Рп) для ЧМ примерно в 3,3р2 раза превышает это отношение для, AM [7.1]. Сигналы AM, ЧМ и ФМ в ИИС применяются преимущественно в системах параллельного действия. В табл. 7.2 представлены вид модулированных импульсных сигналов и их амплитудно-частотные спектры. АИМ-сигналы повторяют изменение амплитуды модулирующей величины. Для односторонней ШИМ и времяимпульсных ВИМ- сигналов длительность и частота импульсов пропорциональны значению модули- рующей величины. При ВИМ неизбежно происходит одновременная модуляция периода следования То и моментов th начала импульсов. В этой таблице учитывается, что периодическую последовательность импуль- сов можно представить рядом Фурье: k=l Ckcos k(£>ot где Cft = 2sin (/гшотс/2)/(Awr0/2); ш0=2л/Т0. При гармоническом модулирующем сигнале f (1)=Ао sin Ш в спектрах АИМ-, ВИМ- и ШИМ-сигналов имеются составляющие, соответствующие частоте Q. Наличие этих составляющих позволяет при демодуляции применить низкочас- тотные фильтры. Однако для уменьшения влияния высокочастотных составляю- щих при АИМ необходимо выполнение условия ш0>2£2, а при ВИМ и одно- сторонней ШИМ соотношение [х=соо/П следует выбирать из условия У 77^0 где В амплитуда сигнальной составляющей на выходе демодулятора, а ^а>о+пй амплитуда комбинационных составляющих, которые при п<0 по- падают в полосу пропускания низкочастотного фильтра [7.2].
В [7.1] показано значительное преимущество в смысле помехоустойчивости ВИМ- и ШИМ-сигналов над АИМ-сигналами, что учитывается при создании те- леизмерительных систем (см. гл. 17, 18). Выбор вида модуляции сигналов оказывает существенное влияние на харак- теристики, а иногда и на состав функциональных блоков ИИС. Спецификой ИИС (по сравнению, например, с системами связи) является возможность вы- полнения в них процедур измерения и контроля сигналов, модулированных раз- личным способом, и отсутствие необходимости в восстановлении (демодуляции) исходного сигнала с первоначальным видом модуляции. Наибольшее распространение в ИИС ближнего действия в настоящее время имеют АИМ-сигналы. Видимо, это объясняется, во-первых, простотой модулято- ров и демодуляторов, во-вторых, легкостью восприятия АИМ-сигналов опера- торами, в-третьих, высокими по быстродействию характеристиками аппаратуры, работающей с АИМ-сигналами. Следует сказать, что реализации аналоговой части измерительных систем могут быть разнообразными в зависимости от вида модуляции измерительных сигналов. По-видимому, одно из направлений развития ИИС будет связано с рациональным употреблением сигналов с различными видами модуляции. В данной главе далее рассматриваются вопросы унификации и коммутации АИМ-сигналов, а также меры защиты входных цепей с АИМ-сигналами от влия- ния помех [7.3—7.6]. 7.2. УНИФИЦИРУЮЩИЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ Основное назначение унифицирующих преобразователей связано с приведе- нием аналоговых измерительных сигналов к диапазону стандартных значений, установленных ГОСТ 9895-78 и ГОСТ 26013-81. Применение унифицирующих элементов расширяет возможности использования ИИС, делает их более уни- версальными. В то же время выполнение некоторых операций унификации сиг- налов (в частности, масштабирование) связано с введением дополнительных по- грешностей в конечный результат измерения и контроля. Наибольшее распространение получили унифицирующие преобразователи AM-сигналов. В промышленном исполнении выпускаются датчики с унифициро- ванным выходным сигналом, в которых собственно датчики объединяются с унифицирующим преобразователем. Основные функции, выполняемые унифицирующими элементами, сводятся к линейным (установление нуля, температурная компенсация, масштабирование) и нелинейным (линеаризация) преобразованиям сигналов от измерительных це- пей с датчиками, а также к уменьшению влияния на них помех. Унифицирующие преобразователи могут быть индивидуальными, связанными с одним датчиком, и групповыми, работающими с несколькими измерительными цепями. Групповые унифицирующие элементы обычно используются в системах, имеющих коммутаторы сигналов измерительных цепей. При применении группо- вых унифицирующих элементов особенно важно, чтобы выполнялись условия правильного согласования их точностных и динамических характеристик с ха- рактеристиками коммутатора и других элементов измерительного тракта. Типичная задача, решаемая при линейных преобразованиях сигналов, выполняемых унифицирующими элементами, заключается в следующем. Пусть система рассчитана на работу с унифицированным сигналом, имеющим дина-
мический диапазон [0, хв] (рис. 7.1 , а сигнал бтДдатчика~тгаменяется~от xmi„ до Хтах, при этом хя>хтах—Xmin- В первом варианте для совмещения начала динамических диапазонов ИИС и датчика к сигналу датчика должен быть до- бавлен сигнал хтгп, а затем полученный суммарный сигнал должен быть уси- лен в A=xa/(xmax—xmin) раз (см. рис. 3.2,6). СЛСА первого варианта, с уче- том того что Xmin может быть разного знака, будет иметь вид I[(xmOx, xmin)l(xmax±xmin, 0)]I[(xmGI±xmi„)A]. Возможен вариант (рис. 7.1,в), при котором сигнал от датчика сначала усиливается, а затем совмещаются начала шкал. В этом случае унифицирующий элемент должен выполнить преобразова- ния, удовлетворяющие условиям А=Хн/ (Хтах Xmin) , ---Xmin [Хв/(Хтазс Xmi n) J СЛСА второго варианта преобразователя имеет вид I[ (*max+*min)^=*n] I [(AXmaxiAxmin)/(Axmax^Axmin), 0] . Для второго варианта, при котором сначала производится масштабирование (положим, усиление сигнала), а затем совмещение начала шкал, нужно отме- тить следующее. Если смещение динамических диапазонов (Axmaxi:Axmin) и [0, хв] значительно, то, для того чтобы система могла воспринять такой сме- щенный сигнал, динамический диапазон ее входных устройств должен значи- тельно превышать динамический диапазон сигнала от измерительной цепи. Так, например, нулевой сигнал тензодатчиков, обусловленный начальной разностью сопротивления, может в несколько раз превышать динамический диапазон по- лезного сигнала, вызываемого изменением измеряемой деформации поверхности. Первый вариант приведения сигнала датчиков к унифицированному уровню преимущественно используется в индивидуальных уницифирующих элементах, второй — в групповых. Случай xmin=#0 на практике встречается весьма часто. Объясняется он на- личием термо-ЭДС холодного спая термопар, начального сопротивления термо- метров сопротивления, проволочных тензодатчиков и соединительных линий между тензодатчиками и термометрами сопротивления и их измерительными схе- мами. Для компенсации температуры холодного спая при применении термопар используется неуравновешенный мост с термозависимым сопротивлением плеча и с омическим делителем напряжения (рис. 7.2), позволяющий получать смещаю- щие напряжения xmi„ для различных типов термопар [хромель — копель (X — К), хромель—алюмель (X — А), платинородий — платина (П — П)], учи- тывающие температуру окружающей среды. Для тензодатчиков и термометров сопротивления в унифицирующих элементах используется мост, уравновешивае- мый перед экспериментом с помощью балансировочного узла БУ (рис. 7.3). Для уменьшения влияния соединительных линий и внешних наводок на иих может использоваться трехпроводная линия соединения термометров сопротивления Rtc с остальной измерительной схемой. Для дифференциально-трансформаторных датчиков начальное напряжение устраняется зачастую с помощью балансировочного узла БУ, включенного в диф- ференциальную схему (рис. 7.4). Следует заметить, что при большом числе величин, воспринимаемых параметрическими датчиками, наличие балансировоч- ных узлов, с помощью которых перед началом эксперимента устраняется рас- хождение динамических диапазонов сигналов от измерительных схем с датчика- ми, часто создает значительные неудобства, так как ручные операции баланси-
Хн < ^max-' Чтил " “ /7" xmax^ Рис. 7.1. К линейному преобразова- нию сигналов датчиков: а — динамические диапазоны шкалы и из- меряемой величины; б — совмещение ми- нимального значения измеряемой величи- ны с нулевой отметкой шкалы; в — при- ведение масштаба динамического диапа- зона измеряемой величины к масштабу шкалы с последующим совмещением с нулевой отметкой шкалы Рис. 7.2. Схема компенсации темпе- ратуры холодного спая термопар: RT — термозависимое сопротивление: Ra— постоянное сопротивление Рис. 7.3. Схема включения термомет- ров сопротивления ровки занимают значительное время и, кроме того, трудно обеспечить высокие требования к стабильности балансировочных узлов в течение длительного вре- мени. Для устранения этих недостатков применяются специальные групповые унифицирующие устройства. Функциональная схема одного из таких устройств приведена на рис. 7.5. Это устройство предназначено для применения с параметрическими датчи- ками, сигналы которых зависят от внешнего воздействия Р на объект исследо- вания и от начальных, отличных от нуля сигналов измерительных цепей Хп: Х= =ф(Р, Хо). Нужно отметить, что ключи и 7<3 могут находиться в замкну- том— <рк (1) или разомкнутом — фк (0) состоянии. При отсутствии внешних воздействий на объект исследования (Ро=О) сиг- налы от измерительных цепей с датчиками Х^ будут определяться только на- чальными сигналами измерительных цепей. СЛСА этого начального этапа работы устройства будет иметь вид Ф(В) Ф[Д=0; q>Ki(l); фК2(0); фкз(0)] I(Ao/Xoi)X +1 (x0,7zoi) I (S : Zoi, Di) co(i=n) “|ф(E). Затем производится измерение величины при внешнем воздействии на объект Л: Ф(В)Ф [Л; <рК1 (°); ¥К2< 1); ?кз( 1)] L ® (*: = Ж) {[I (А/х1;)] ц [I (/?: zo;)X X I (zo;/Xo;)]} I (xi; — xoi) I [(xi; —XoJ/zjj I (ZjJ CO (i = n) -] Ф (E)... На выходе устройства коррекции после этого этапа формируются значения 2;*, в которых отсутствуют начальные сигналы. С одной стороны, использование такого унифицирующего устройства существенно облегчает требования к АЦП
Рис. 7.4. Схема включения диф- ференциально-трансформаторно- го датчика Рис. 7.5. Схема коррекции нену- левых начальных сигналов датчи- ков и последующим блокам системы, автоматизирует операции совмещения начала шкал сигналов от измерительных цепей с датчиками. Но, с другой стороны, цифро-аналоговое преобразование требует дополнительной затраты времени. Исключение влияния начальных сигналов от измерительных цепей с дат- чиками может быть реализовано на уровне кодоимпульсных сигналов. Тогда при измерениях отпадает необходимость в цифро-аналоговом преобразовании: ф (В) ф (Р = PJ L Ф (i : = i 4- *) I (A’i/xi;) [1 (хп/г1;) || I (R : zo;)] I [(zi; — — «oi) = 1 (S D;) ы (i = n) "1 Ф (E). Здесь операторы ®(R: zoi) и I(R:zoi) означают команду «выбрать из памяти результат измерения начального показания i-ro датчика» и реализацию выборки соответственно. Усиление сигналов от измерительных цепей с датчиками выполняется в боль- шинстве случаев с помощью усилителей постоянного тока (обычно с промежу- точной АИМ, усилением на переменном токе и демодуляцией) и переменно- го тока. При применении параметрических датчиков имеется возможность выполнять масштабирование сигналов на выходе измерительных схем с такими датчиками, изменяя напряжение их питания. Существенно поднять уровень сигнала от изме- рительной схемы с датчиками удается при применении импульсного питания. К сожалению, этот путь имеет ограничения. Сверху ограничения накладываются обычно предельно допустимыми тепловыми режимами, а снизу — уровнями шумов. При импульсном питании необходимо подбирать такую форму и длитель- ность импульсов, чтобы за время действия импульса переходные процессы были закончены и выполнены необходимые преобразования сигнала, а переходные тепловые процессы в элементах измерительной цепи оказывали на эти преобра- зования незначительное влияние. Линеаризация сигналов от датчиков необходима, если шкала вход- ного измерительного преобразователя системы линейна, а сигнал от датчика свя- зан со значениями контролируемого параметра нелинейной зависимостью x=f(G). Тогда после линейного преобразования сигналов, в результате которого динамиче- ские диапазоны сигнала датчиков и шкалы системы совпадают, необходимо выпол- нить операцию линеаризации. На практике это осуществляется либо введением по- правок на нелинейность сигналов, либо с помощью линеаризующих устройств в уни-
Рис. 7.6. Электрическая схема ли- неаризатора сигнала неуравновешен- ного моста фицирующихэлементах, в функцио- нальных АЦП или в вычислительных устройства системы. Обычным приемом, используемым в унифицирующих элементах, является линеаризация сигналов от датчиков с помощью функциональных преобра- зователей (диодных цепочек, секциони- рованных реохородов и т. п.), аппрокси- мирующих зависимость f(0) несколь- кими отрезками прямых линий. При этом линеаризатор должен иметь харак- теристику, позволяющую привести f(0) к линейной зависимости. Линеаризация может производить- ся с помощью усилителей с нелинейной обратной связью, в цепь которой вхо- дит резистивный делитель с шунтирующими диодами. Интересен способ уменьшения нелинейности выходного сигнала неуравнове- шенных мостов, вызываемой переменным суммарным сопротивлением мостовой цепи и нелинейностью отношения плеч при одном датчике, воспринимающем кон- тролируемую величину. Этот способ основан на изменении напряжения питания моста с помощью усилителя с переменной обратной связью (рис. 7.6), благодаря чему на плече поддерживается постоянное напряжение; при нелинейно- сти датчика около 1 % нелинейность выходного напряжения не превышает при- близительно 0,1 %. Выбор типа линеаризаторов — аппаратный (индивидуальный или групповой) либо поограммный (с использованием цифровых вычислительных устройств) — за виси-, от количества и вида исследуемых величин, требований к точности пре- образования и другим характеристикам. Нужно отметить, что унифицирующие элементы выполняют зачастую ряд дополнительных функций; к ним, например, относятся уменьшение влияния вы- шедшего из строя датчика на последующие узлы системы, согласование сопро- тивления датчика со входом системы (в большинстве случаев выходное сопро- тивление унифицирующих элементов должно находиться в пределах от 100 до 300 Ом) и др. 7.3. ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЕ КОММУТАТОРЫ АМПЛИТУДНО- МОДУЛИРОВАННЫХ СИГНАЛОВ Основные типы коммутаторов и их характеристики Основное назначение коммутаторов — образование между блоками соеди- ний, обеспечивающих прохождение сигналов в заданных направлениях. Если го- ворить о коммутаторах предназначенных для работы в измерительной части ИИС, то их основное назначение — связывать между собой участки аналоговых измерительных цепей, работающие в параллельном и последовательном режимах. Особенное значение для ИИС представляют измерительные коммутаторы, слу- жащие для переключения аналоговых измерительных сигналов, так как к ним предъявляются требования выполнения коммутационных операций с заданными метрологическими характеристиками.
Измерительные коммутаторы АМ-сигиалов характеризуются следующими на- динамическим погрешностью диапазоном коммутируемых величин; коэффициента передачи аналогового сигнала 6— (Двх--/1вых) />4вх» где Авх и Лвых — соответственно входной и выходной сигналы коммутатора; быстродействием или скоростью коммутации; для коммутаторов эти послед- ние параметры оцениваются количеством переключений в секунду (коммутаторы циклического действия) или временем, необходимым для выполнения одной коммутационной операции; числом коммутируемых сигналов — входов п, числом выходов h и числом одновременно образуемых каналов fe; в большинстве случаев n>hi, k^Ji, наи- большее распространение имеют измерительные коммутаторы с /г=й=1; количеством коммутирующих измерительных N и управляющих М элемен- тов коммутатора; обычно при проектировании коммутаторов стремятся к умень- шению N и М; сроком службы, исчисляемым предельным количеством операций переключе- ния, при котором основные характеристики коммутаторов остаются неизменными в заданных пределах. Коммутаторы различаются также последовательностью (программой) пере- ключения входных сигналов. В коммутаторах могут быть реализованы цикличе- ский и адресный режимы. При циклическом режиме коммутация производится по заранее установленной программе с заданной коммутационной функцией, опре- деляющей последовательность соединения входов с выходами коммутатора. При адресной работе коммутатора последовательность переключения заранее, как правило, не определяется. Например, при адаптивной коммутации (см. ч. 3) адрес определяется в результате анализа состояния коммутируемых величин. В зависимости от типа используемых в коммутаторе коммутационных эле- ментов различаются контактные и бесконтактные коммутаторы. Коммутационные элементы Любой коммутационный элемент состоит из ключа и управляющего элемен- та. Под ключом понимается двухполюсный элемент электрической цепи, который может находиться в замкнутом состоянии, когда проводимость ключа велика, или разомкнутом, когда проводимость мала. В качестве ключей используются элементы, обладающие явно выраженными нелинейными вольт-амперными характеристиками. Переход ключа из одного состояния в другое выполняется с помощью управляющего элемента. Наиболее важными расчетными характеристиками ключей для электрических сигналов являются: сопротивление или проводимость в замкнутом и разомкнутом состояниях (г3 или z/a, гр или ур); широко используется также отношение гр/г3, которое носит название коммутационного коэффициента; собственные (паразитные) ЭДС и ток ключа е0 и i0, возникающие в ком- мутируемой цепи под действием управляющих сигналов, собственных шумов, паразитных наводок, контактных разностей потенциалов и пр.; Динамический, диапазон, равный отношению максимальной и минимальной амплитуд входного сигнала: Дд=Д1Пах/Лтт;
максимальная частота переключений пли время перехода ключа из одного состояния в другое; предельное количество переключений, до которого характеристики ключей остаются в пределах нормального состояния. По коммутационному коэффициенту у идеального ключа должно быть гр = =оо, г3 = 0, ео = О, io=0. Наиболее близки к таким идеальным ключам по своим параметрам контактные ключи, у которых гр= 108-ь- 1012 Ом; гя = 0,005ч-0,1 Ом, собственные ЭДС имеют значения порядка долей и единиц микровольт, Дд=107. У большинства контактных элементов, управляемых электромагнитными ме- ханизмами (электромагнитные и поляризованные реле, шаговые искатели и т. п.), наибольшая скорость переключений составляет от единиц до десятков переклю- чений в секунду, предельное количество переключений не превышает 10е—107, а мощность, необходимая для управления ключом, равна примерно 0,1—10 Вт. Повышенными по сравнению с контактными элементами, управляемыми элек- тромагнитными механизмами, скоростью работы и сроком службы обладают магнитоуправляемые герметичные контакты [7.4]. Выпускаемые промышленно- стью такие контакты могут срабатывать до 100 раз в секунду (отдельные экзем- пляры до нескольких сотен срабатываний в секунду) и имеют срок службы, определяемый 108 срабатываниями. Мощность управления у них порядка деся- тых долей ватта. Ввиду того что контактная группа в таких контактных эле- ментах миниатюрна и контактные усилия малы, сопротивление замкнутых кон- тактов может достигать 0,1 Ом, а сопротивление разомкнутых контактов (сопро- тивление изоляции) может быть порядка 108 Ом. Очень большой срок службы (до 1012 срабатываний по рекламным сообще- ниям изготовителей) имеют ртутные контакты (контакты, смачиваемые ртутью по капиллярам). Быстродействие их относительно небольшое — примерно 10 срабатываний в секунду. Технология их изготовления сложна, стоимость вы- сока, поэтому ртутные контакты применяются не столь широко, как магнито- управляемые контакты. Заслуживающими внимания характеристиками обладают коммутационные элементы, основанные на использовании эффекта сверхпроводимости. Коммута- ционный коэффициент их порядка 1010—1012 при сопротивлении проволоки в не- сверхпроводящем состоянии примерно 10 Ом. Перед разработчиками контактных коммутационных элементов стоит задача создания элементов с быстродействием до 104—105 срабатываний в секунду, сро- ком службы более 108 срабатываний и небольшой мощностью управления. В настоящее время контактные коммутационные элементы применяются пре- имущественно для коммутации параметрических датчиков и малых по уровню токов и напряжений (порядка нескольких милливольт и долей миллиампера) при относительно небольших скоростях коммутации. Для построения бесконтактных коммутаторов ИИС используются элементы, у которых под воздействием внешнего управляющего сигнала скачкообразно изменяется сопротивление. Как правило, бесконтактные переключающие элементы имеют большой срок службы, высокое быстродействие, требуют малой мощности управления, но у них относительно небольшой коммутационный коэффициент, меньший динамический диапазон. Кроме того, они в большей степени, чем контактные элементы, под- вержены влиянию внешних возмущений; при их использовании необходимо при- нимать меры к разделению информационных и управляющих цепей.
Рис. 7.7. Схемы коммутаторов с последовательным (а), параллельным (б) и комбинированным (в, а) включением коммутационных элементов Наибольшее применение в бесконтактных коммутационных элементах нашли полупроводниковые транзисторы и диоды. Такие элементы имеют сопротивление в замкнутом состоянии г3 от 2 до 100 Ом, в разомкнутом гр от 10е до 108 Ом (коммутационный коэффициент от 104 до 108), ев от 1 до 100 мкВ, i0 от 0,01 до 0,05 мкА, С от 5 до 50 пФ, частоту коммутации до 10е срабатываний в се- кунду. Коммутационные элементы на полевых триодах имеют г3 от 20 до 2000 Ом, гр от 108 до 1010 Ом, близкие к нулю собственные ЭДС и токи. Частота работы таких элементов — до 104 коммутаций в секунду. Коммутационные элементы с применением оптронов позволяют гальванически разделить измерительную цепь и тем самым устранить влияние продольных помех (см. следующий параграф), но пока имеют относительно невысокие метро- логические характеристики (г3 — до 800 Ом, гр — порядка 105 Ом, постоянную времени — несколько десятков миллисекунд). После улучшения метрологических характеристик можно ожидать, что оптроны будут использоваться в измери- тельных коммутаторах. Основная область применения электронных коммутационных элементов —
Рис. 7.8. Коммутатор с гене- раторными датчиками коммутация с высокими скоростями относи- тельно больших напряжений и токов (пример- но ±5, +10 В; +5 мА). Погрешности коммутаторов напряжений с последовательным включением коммутационных элементов Коммутационные элементы могут распола- гаться в коммутируемой цепи последователь- но, параллельно сопротивлению нагрузки и комбинированным способом (рис. 7.7). Весьма полный анализ этих разновидностей коммута- торов выполнен в [7.5, 7.6]. Наибольшее при- менение имеют коммутаторы с последователь- ным включением элементов. Рассмотрим погрешности, вызываемые влиянием коммутационных элементов, в одноступенчатом коммутаторе с п вхо- дами и одним выходом (ft=l). Будем различать следующие составляющие погрешностей: погрешности, обусловленные отличием сопротивлений rs и гр от нуля и бес- конечности соответственно; погрешности от собственных ЭДС ключей; погрешность из-за вариации г3 и гр. Ограничимся рассмотрением случая, когда все ключи коммутатора имеют одинаковые сопротивления: r3=consty=0 и rp=-const+oo, а сопротивление на- грузки Гп=оо. Если коммутатор предназначен для работы с генераторными датчиками (рис. 7.8), имеющими внутреннее сопротивление ri=r2= ... =zn=rB и ЭДС Е,, то при замкнутом /-м ключе напряжение на выходе коммутатора yjEj 'rbi 2 *) / — 1» * / где у^ 1 /(гв-|-гР) — проводимость разомкнутых цепей для всех I, кроме /, для которого #3=1/(гв-р'з)—проводимость замкнутой цепи. 1' Это выражение может быть представлено как я . __________}________ £ . ________J________t = l, ___ Х+у./уЛп_1) (П-1) - —-------------------------- д- + 1 + (« — 1)(гВ +гз)/(/'в+''р) ' ...ку. ! V +•/+г.>/(г.+г,)(;^г'Т-'к —++’» •' При £\=const = .. ^вык —
В случае если сопротивление нагрузки конечно и равно гн, то аВЫха= = ивых>н/(Гн-|-Гвых), где Гв ых = 11[Уз-\~(П 1)У1] - Погрешность, вносимая коммутатором в этом случае, будет находиться по формуле п 8=1 ^вых/^вх = 1 wi 1) ^/1- Z=l. i/-i Таким образом, суммарная погрешность будет определяться, во-первых, ко- эффициентом передачи wjt ЭДС Е,, а во-вторых, влиянием Ег, зависящим от коэффициента передачи ш,. Погрешность коммутатора, изображенного на рис. 7.8, из-за наличия соб- ственных ЭДС ключей, равных е< (i=l, 2.......п, &=j) и е3-, может быть полу- чена по формуле 6=w jBj /Ejj-WiBi/Ei. При использовании полупроводниковых ключей нужно учитывать остаточ- ные токи разомкнутых ключей и остаточные напряжения на замкнутых ключах. Если Ei—Ej, то, учитывая, что w-;-\-Wj= 1, имеем ивых=Ез.. При Е,=0 и Ei=Ejmax на выходе коммутатора появляется напряжение, вызывающее погреш- ность Д1—(0{Езтах> При Ej = Ejmax И Ej—О — (1 Wj'jEjmax- Положим, £jmOx=10 В, Г3 = 0,1 Ом, Гв = 100 Ом, Гр=107 Ом, п=101 * * 4 * * * В. Тогда 1 +(1004- 107)/( 100 +0,1). 10* 1 + 10 ; Следовательно, при таких коммутационных элементах и количестве комму- тируемых источников напряжения погрешность напряжения коммутатора недо- пустимо велика. Для уменьшения погрешности, вносимой wi, следует уменьшить п (так, при п=100 в предыдущем примере AosdO-2 В). Одни из схемных способов уменьшения этой погрешности состоит в пере- ходе на схему двухступенчатого коммутатора, при котором п входов разде- ляются на q групп по т датчиков (рис. 7.9). На эквивалентной схеме рис. 7.9,а принято, что во всех q группах включены; /-е цепи с помощью ключей коммутатора первой ступени Кь а выборка груп- пы I и, следовательно, подключение к выходу цепи /3 осуществляются коммута- тором Кз второй ступени. В такой схеме резко упрощается устройство управления коммутатора первой ступени. Конечно, подключение только одной цепи в одной группе может не- .! сколько снизить погрешность коммутации. Для упрощенного приближенного расчета коммутатора может быть принята эквивалентная схема, изображенная на рис. 7.9,6. В ней, поскольку т невелико, а ГрЗ>г3 и Гр2>1/[(т—1) 1/(Гв+гР)+1/(гв+г3)], не учитывается влияние цепей, параллельных включенным /-м цепям в каждой группе, а также упрощена кою фигурация цепи группы I, подключенной к выходу. Для этой схемы, если считать, что коммутируемое напряжение равно Ej, а остальные напряжения — Et,
Рис. 7.9. Схема двухступенчатого коммутатора с генераторными датчиками (а) и ее эквивалентная схема (б) Рис. 7.10. Коммутатор компенсационного типа: а — обобщенная схема; б — пример реализации
[Ej/(rK Ч- 2/ 3)] + [(т— !) + (<?— 1)] Ej (1/гв+Гз+ 'р) _ == ' [ 1 / <гв + 2г3) ] + [(та + <7 — 2)/(Гв + г3 + гр) ] =---------------------------------------- £ + 1 + [(№ + 9 — 2)(гв Ч* 2r3)/(rB-|- Гз + /'р)] Н----------------------------------------Е;. 1 ч- [(' в + Гз ч- rp)/(rB+ 2r3) (т+ <7—2)1 При заданном п выражение m-\-q—2 принимает наименьшее значение при m=q. Положим п=104, тогда при /и = 103, </=10 оно равно m-\-q—2=1008, а при т— jqe и ,7= 102 т q—-2=198. Если при п=104, Е;=10 В, £\-=0 В, г3=0,1 Ом, 1 Ю гв=100 Ом, Гр=10’ Ом выбрать /и=<7=100, то До= 1 4. 107/(100-200) 10 ~50С= = 2 102. Уменьшение погрешности коммутации, вызванной влиянием параллельных цепей, можно осуществить, используя методы компенсации при установлении потенциалов на разомкнутых ключах, равных напряжению в цепи, подключенной к выходу коммутатора (рис. 7.10,а). На рис 7.10,6 приведен пример коммутатора, реализованного с использо- ванием операционного усилителя УТ401Б (коэффициент усиления равен 8-103, Л;вх=4 кОм) и полевых триодов КП103И (г3=ЗОО Ом, rp=10*° Ом). Характе- ристики коммутатора: п=80, гв=10 кОм, /?о<=1 МОм. Для подключаемого входа на затвор подается =-р7 (состояние разомкнуто) и и.^' =0 (со- стояние замкнуто), для всех остальных и*1) =0 (замкнуто) и =-)Д (разомкнуто). Для идеального усилителя и полевого транзистора нВых = = (ROj/rs)Uj. Погрешность Д] при закорачивании /-го входа и подаче на все остальные входы коммутатора 6 В не превышала 0,3 %. Нужно подчеркнуть, что все приведенные расчеты коммутаторов весьма при- ближенны и дают в большинстве случаев завышенные результаты по сравнению с расчетами, в которых используются реальные данные. Так, по видимому, при большом п, +Е< и равномерном распределении их вероятностей сумма ЭДС может быть близка к нулю и могут быть внесены коррективы в результаты расчетов при учете случайного характера га, гр, гв и т. п. Погрешности коммутаторов параметрических датчиков с последовательным включением коммутационных элементов Рассмотрим погрешность, вносимую при коммутации резистивных датчиков, к которым относятся широко используемые тензо-, термо-, фоторезисторы. У этих датчиков сопротивление гд=г+Дг, а преобразуемая величина 0 связана с Дг= =f(0). Нужно отметить, что для многих типов тензо- и терморезисторов Arsgr. Выходное сопротивление коммутатора (рис. 7.11,а) при равенстве сопротив- лений датчиков и замкнутом /-м ключе О/Од+Гз) +('2— ОДГу+Гр) 1 Ч~ [(«— I) (гд ч-^з)/(гу ч- Гр)] Если добиться чтобы влияние цепей, включенных параллельно коммутируемой цепи, было меньше установленного, т. е. (н—1) (гд+гз)/(пЧ-гР)г5бо, то можно пользоваться приближенным выражением Гвых^гp-f-r3—(г±Дг) -f-г3.
Рис. 7.11. Размещение коммутационных элементов в мостовой цепи: а — последовательно с датчиками; б — в индикаторной диагонали; в — в индикаторной диагонали и последовательно с гк; г — то же с дополнительной цепью rt, г$, г Для того чтобы выделить для дальнейших измерительных операций только переменную составляющую гВЫх, чаще всего используется мостовая схема. Однако значительные трудности возникают при уменьшении влияния пере- менной составляющей ±Лг3 замкнутого коммутационного элемента. Если нет элементов с приемлемыми характеристиками, то следует рассмотреть примене- ние схемных методов. Кратко остановимся на нескольких нашедших примене- ние в ИИС схемных методах уменьшения влияния коммутационных элементов. При большом сопротивлении нагрузки или при компенсационном режиме влия- ние коммутационных элементов может быть уменьшено до нужной степени раз- мещением коммутационных элементов не последовательно с датчиками в плече мостовой цепи (рис. 7.11,а), а в измерительных диагоналях мостов (рис. 7.11,6)
[7 3] По существу, при этом осуществляется коммутация напряжений. Основной недостаток такой измерительной цепи связан с необходимостью обеспечить питание п параллельных полумостов с изготовлением элементов мостовой цепи (напряжение питания Z7n). Для уменьшения мощности питания схема на рис. 7.11,6 может быть пре- образована в схему, изображенную на рис. 7.11,в. В ней коммутационные эле- менты располагаются последовательно с плечом гк, сопротивление которого- можно сделать достаточно большим. При увеличении сопротивления гк можно добиться линейности функции преобразования Дц=<р(Дг) в более широком диа- пазоне изменения Дг по сравнению с соотношением гк=гя. Дальнейшего уменьшения влияния Дг3 в этой схеме можно добиться, ис- пользуя размещение коммутационных элементов в соответствии со схемой, при- веденной на рис. 7.11,г. Сопротивление Использование этой цепи при реальном тензометрировании с помощью проволочных тензорезисторов и комму- тации магнитоуправляемыми контактами позволило получить погрешность ком- мутации меньше 0,1 %- Для уменьшения влияния сопротивлений коммутационных элементов и соединительных линий может также использоваться схема двойного моста. Двухступенчатые коммутаторы для сигналов параметрических датчиков, как правило, не применяются. Для коммутации большого количества датчиков ис- пользуются двухступенчатые коммутаторы, у которых вторая ступень комму- тирует цифровые сигналы. В этом и предыдущем параграфах рассматривались упрощенные эквива- лентные схемы коммутаторов. Повышенные требования к точности коммутации сигналов постоянного тока приводят к необходимости учета токов утечек, слу- чайных составляющих сопротивлений, паразитных параметров. Работа быстро- действующего коммутатора или коммутатора сигналов повышенной частоты требует учета комплексных сопротивлений коммутируемых цепей. Определение количества коммутирующих элементов и элементов схем управления Минимальное количество коммутирующих элементов Л?, равное количеству коммутируемых сигналов п, получается в одноступенчатом коммутаторе, в ко- тором все входы соединяются поочередно с одним выходом. По существу, именно это обстоятельство предопределяет преимущественное применение та- ких коммутаторов для измерительных цепей. Какое количество элементов схем управления необходимо для одноступенчатого схемного коммутатора? Если ре- лейные элементы, управляющие срабатыванием ключей, представляют собой двухполюсники, то возможны варианты одностороннего (рис. 7.12) и двусто- роннего или матричного (рис. 7.13) управления релейными элементами. Обе эти схемы пригодны для адресного (соответственно одно- или двух каскадного) и циклического управления. При применении матричного управления для более четкого разделения сигналов последовательно с каждым релейным элементом часто устанавливаются разделительные диоды (на рис. 7.13 не показаны). Если при двустороннем управлении используется квадратная матрица, то число ее при двустороннем управлении используется квадратная матрица, то число ее входов Л4=2у п, где п — общее число коммутируемых точек. При п>2 ]/ п, что- получается при п>4 выигрыш в количестве элементов управления при приме- нении матричного управления можно оценить отношением и/2]/ n=j/ и/2; это- особенно ощутимо при больших п (положим, п= 100, тогда это отношение бу-
Рис. 7.13. Схема двустороннего (матричного) управления коммутатором дет равно 5). Использование матричного управления позволяет также суще- ственно упростить дешифраторы DCX и DC у. Если снять ограничение на удовлетворение требования минимального коли- чества ключей и поставить задачу создания схемы коммутатора с минимальным количеством устройств управления, то можно прийти к многоступенчатому пи- рамидальному коммутатору. Количество ступеней в таких коммутаторах равно количеству двоичных разрядов, содержащихся в общем числе коммутируемых сигналов; общее количество ключей равно Л?^2(я—-1), а ввиду использования параллельного управления релейными устройствами одной ступени количество двоичных элементов схем управления будет равно 7И—log2n. Если сравнить пи- рамидальную двоичную и матричную схемы управления по количеству элемен- тов, то их отношение равно 2l^ n/log2n. Например, при я=64 количество эле- ментов управления уменьшится для пирамидальной схемы примерно втрое, но количество ключей увеличится примерно вдвое. Ввиду резкого увеличения клю- чей пирамидальные схемы почти не находят применения в измерительных коммутаторах. При двухступенчатых недвоичных коммутаторах п коммутируемых сигналов разбиваются на т групп, в каждой из которых коммутируются q сигналов (n=mq, обычно стремятся к q=p). Тогда количество ключей 77=/и(д+1)
Рис. 7.14. Двухступенчатый комму- татор аналоговых сигналов Рис. 7.15. Схема структуры «комму- татор — АЦП — обращенный ком- мутатор» 7 у Рис, 7.16, Схема полно доступного, матричного коммутатора (в каждой измерительной цепи последовательно будут включаться два ключа), а количество элементов управления (при одностороннем управлении ступенями) Л)=т+?. Количество управляющих элементов может быть уменьшено приме- нением на первой ступени матричного управления, одновременно обслуживаю- щего все т групп (рис. 7.14). В ИС может возникнуть необходимость создания коммутаторов, обеспечи- вающих соединение любого из п входов с любым из h выходов. Если эти со- единения можно выполнять поочередно путем организации в каждый момент одного канала коммутации (/г=1), то применима схема «коммутатор — АЦП — обращенный коммутатор» (рис. 7.15). До сих пор рассматривались коммутаторы, у которых в процессе комму- тации организовывался один канал (А=1). Универсальный полнодоступный коммутатор должен позволять организовывать соединение любого сочетания из п входов с любым сочетанием из h> 1 выходов; естественно, что в этом случае /гЭН. Очевидный способ построения полнодоступного коммутатора связан с применением матричной схемы (рис. 7.16). На рисунке не показаны управляю- щие элементы; символы ац обозначают состояние ключей на пересечении столб- ца i и строки / и принимают значение 0 или 1. Нужно заметить, что в таком устройстве количество ключей N=nh, количество устройств управления М=п+ +Д а в каждом канале (в случае n>h может быть организовано k=h каналов) будет расположен один ключ. Алгоритмы управления коммутатором. Коммутаторы могут работать по жесткой программе, определяемой задан- ной коммутационной функцией. Управление его работой может производиться от устройства управления или от импульсов, следующих через заданные интер- валы времени и поступающих от внешнего или встроенного в коммутатор ге- нератора. Алгоритм работы коммутатора при равномерной циклической комму- тации, начальном состоянии <р(г=О) и управлении от блока управления L Фо(1 : = i + 1)<р (п/0- • « (i =л)”|,
при адресной коммутации по программе блока управления ©(+=/) <р(и//) Ф(/:=/г) <р(и//г) ... при циклической разовой работе коммутатора от синхроимпульсов Д1) <р(и/1) <р(и/2) ... <р(и/и) Ф(Е). Двухступенчатая циклическая коммутация может выполняться по командам от блока управления по двум основным режимам (см. рис. 7.14). Первый режим состоит в подключении всех i-x входов т коммутаторов первой ступени Фо = (<7i/i'i, ..., qs/ij, , и коммута- 1 1 ции т выходных сигналов (ib..., im) с помощью коммутатора второй сту- пени 2 1 X L Фо (1 = 1 + 1. ^д2) <?2 (W//) ы2 .(/ = т) П w (i = q) Д- Общее время коммутации Т1 — q Основное количество опе- раций коммутации здесь выполняется коммутатором второй ступени. Повышения быстродействия коммутатора можно добиться, во-первых, при во-вторых, если после коммутации /-го канала с помощью Д2 в /-м коммутаторе будет подключен (i-J-l)-fi вход. Таким образом, можно до- биться, чтобы общее время коммутации составляло -|- qmtitK^ Вообще, идея использования времени, в течение, которого проводится опе- рация в одном коммутаторе для подготовки к операции коммутации в другом, находит применение в целях повышения быстродействия. Во втором режиме подключается j-й вход коммутатора Kg L Фо (Г = 1+1; д^2) ?2 (m/j) X и происходит циклическая работа коммутатора Ki ’ ’ 2 1 X L Фо (t; = t + и f (?/*) wi (« = 1 “а (/ = m) 1 ••• 2 - : Общее время коммутации Т2 = т (Д^2.+ qKtKi). Примеры схемных коммутаторов Коммутация напряжений. Коммутатор аналоговый Ф240 с контактными ключами предназначен для коммутации напряжений постоянного тока от 50 мВ до 180 В. Выпускается несколько типов коммутаторов, различающихся количе- ством (3 и 2) коммутационных элементов на одну коммутируемую величину и количеством входов (от 40 до 100). В качестве ключей в коммутаторах исполь- зуются магнитоуправляемые контакты типа РЭС-44~(три ключа) и РЭС-43 (два ключа). Сопротивление замкнутого ключа не превышает 0,5 Ом, а термо-ЭДС — не более 40 мкВ. Сопротивление разомкнутого ключа не ниже 108 Ом. Входная емкость замкнутого ключа 20 пФ, разомкнутого—100 пФ. По паспортным данным коэффициент передачи напряжения с канала на канал В= =—20 log[(10”/P-f)+6], дБ. Здесь R — нагрузка коммутатора в омах, a f — частота сигнала в герцах. Это выражение справедливо для Pf^lO10 и /<7105 Гц. Время замыкания и размыкания ключа не больше 1,3 и 0,5 мс соответственно,
Рис. 7.17. Схема коммутатора Ф240 время между коммутацией • двух ключей — не меньше 0,1 мс. Частота работы коммутатора —не более 50 Гц. В коммутаторе предусмотрен вывод информации о номере подключенного входа в виде кодоимпульсного сигнала в коде 8—4—2—1 и импульсов синхро- низации. Основные режимы работы коммутатора — циклический непрерывный, циклический разовый, адресный. Коммутатор содержит (рис. 7.17) устройство управления, счетчики единиц и десятков. С приходом управляющего сигнала «Пуск» Фо (В) на вход двоично-деся- тичных счетчиков единиц и десятков начинают поступать тактовые импульсы Фо. (7). Двоично-десятичные коды счетчиков единиц и десятков преобразуются в позиционные десятичные сигналы, которые усиливаются и подаются на мат- ричные схемы управления блоков (по 20 шт.) аналоговых ключей. Для повы- шения надежности и уменьшения сопротивления в замкнутом состоянии исполь- зуется параллельное соединение ключей. Коммутаторы измерительных сигналов Ф799 предназначены для коммута- ции напряжений постоянного тока от —10 до -|-10 В. Выпускаются два типа этих коммутаторов,, различающихся коммутационными элементами; Ф799/1 по- вышенной точности с контактными коммутационными элементами и Ф799/2 по- вышенного быстродействия с бесконтактными коммутационными элементами. В качестве ключей в коммутаторе Ф799/1 используются реле РЭС-44 с магни- тоуправляемыми контактами, а в коммутаторе Ф799/2 — интегральные пере- ключатели 'КТ 118. Сопротивление замкнутого контактного ключа не больше 0,7 Ом, а бесконтактного ключа не больше 100 Ом. Сопротивление разомкнутого контактного ключа не менее 5-Ю8 Ом, бесконтактного ключа не менее 108 Ом. Количество коммутационных цепей в коммутаторе 100. В каждой цепи могут включаться три или шесть ключей. Число ступеней коммутации — одна или две Предел основной приведенной погрешности замкну-
того коммутационного элемента при сопротивлении нагрузки 106 Ом и зако- роченном входе: для Ф799/1 +0,01 %, для Ф799/2 +0,1 %. Время коммутации: для Ф799/1 —не более 10 мс, для Ф799/2— 10 мкс. Основные режимы работы коммутатора — циклические (непрерывный и разовый), адресный и шаговый. Структурная схема коммутаторов Ф799 в основном аналогична схеме ком- мутатора Ф240. В каждом блоке ключей Ф799 имеется коммутационный эле- мент, который может быть использован при организации двухступенчатой ра- боты. Кроме того, в Ф799 имеется блок индикации номера подключенного ка- нала. Наиболее трудно создать измерительные коммутаторы с бесконтактными ключами, предназначенные для переключения сигналов низкого уровня и имею- щие приемлемые для практики погрешности. В этих случаях приходится при- нимать специальные меры по уменьшению влияния остаточных напряжений и токов ключей, а также цепей управления на коммутируемые цепи. На рис. 7.18 представлена схема транзисторного коммутатора, предназначен- ного для работы с термопарами (от 10 до 100 мВ). На этой схеме достаточно наглядно показаны участки цепей управления и питания, требующие развязки для уменьшения влияния цепей питания и управления на коммутируемую цепь. Гальваническая связь между цепями управления и коммутации устраняется здесь путем применения разделительных трансформаторов Tpt—Тр16 и раздель- ных источников питания генераторов управляющих напряжений (ГУН). Умень- шение влияния собственных ЭДС и токов достигается путем инверсного вклю- чения транзисторов и подбора сопротивлений и Де (рис. 7.19). Современные ключи, изготавливаемые методом интегральной технологии, содержат транзисторы в инверсном включении с близкими параметрами, а влия- ние управляющих импульсов уменьшается с помощью развязывающих дио- дов [7.7]. Решение вопросов развязки цепей управления и коммутации, а также уменьшения влияния остаточных токов и напряжений существенно упрощается при построении ключей на полевых транзисторах [7.8—7.10]. Это объясняется тем, что полевые транзисторы имеют высокое входное сопротивление (свыше 108 Ом) и практически равные нулю остаточные напряжения и токи. Например, интегральная микросхема на рис. 7.20 содержит набор ком- мутационных элементов на МОП-транзисторах, имеющих следующие харак- теристики: коммутируемое напряжение до 6 В, ток стока 10 мА, г.т+ЗОО Ом, Гр^=109 Ом, Свх^5 пФ, СВых^З пФ. Время коммутации здесь может достигать десятков микросекунд. Диоды используются для ограничения напряжения на за- творах до уровня, исключающего возможность пробоя диэлектрика. Для уменьшения влияния сопротивления замкнутого ключа на выходе коммутатора при необходимости используется усилитель с большим входным сопротивлением (порядка 107 Ом). Выпускаются в интегральном исполнении МОП-переключатели с числом ключей от 2 до 16 (серии 168, 190, 590 и др.). Объединение таких переключателей дает возможность создавать как одно- ступенчатые, так и двухступенчатые коммутаторы с различным количеством ключей. Известны коммутаторы с МОП-ключами на 64 и более входов. В [7.7] приводится описание ключей на интегральных микросхемах типа 8ПМД6; схемы управления ключами (счетчики импульсов и дешифраторы) выполнены на ин-
Рис. 7.18. Транзисторный коммута- тор сигналов низкого уровня Рис. 7.19. Схема транзистор- ного ключа Рис. 7.20. Ключи на полевых МОП-транзисторах тегральных микросхемах 8ПМД4 и 8ПМД16. Ключ на двух полевых транзи- сторах может коммутировать двуполярные сигналы. Параметры этого ключа при управлении им от потенциального триггера 8ПМД4 следующие: г3=2-103Ом, Гр=4-108 Ом, U0eiO, /о=0, динамический диапазон — 5 В^Пвх^З В, Ср=5 пФ. Для уменьшения влияния относительно большого сопротивления ключа в замк- нутом состоянии на его выходе используется согласующий усилитель, выполнен- ный на элементах 8ПМД6, с коэффициентом усиления, близким к единице, и входным сопротивлением более 107 Ом. Погрешность коммутации сигналов по- стоянного тока зависит от количества коммутируемых сигналов и частоты ком- мутирующего сигнала (при частоте коммутации порядка нескольких герц по- грешность коммутации восьми сигналов — около 0,7%, 16 сигналов—около 1,4%, 21 сигнала — около 2,9%; при частоте коммутации 1000 Гц эта погрешность составляет соответственно для восьми сигналов около 9%, 16 сигналов — около 19%, 32 сигналов — около 38%). Неплохие результаты дает использование в качестве ключей интегральных прерывателей, обладающих относительно высокими метрологическими характе- ристиками. Коммутация сопротивлений. Номенклатура коммутаторов, предназначенных для подключения резистивных преобразователей, относительно невелика. Это объясняется в первую очередь высокими требованиями к коэффициенту комму- тации и постоянству сопротивлений ключей, из которых могут быть построены коммутаторы. Кроме того, как это было выше показано, коммутатор должен
Рис. 7.21. Схемы мосто- вых измерительных це- пей с коммутацией ре- зистивных датчиков: а, б — двухпроводное, трех- проводное включение термо- компенсированного тензо- резистора; в — включение общего компенсационного датчика быть изготовлен совместно с частью изь рительной цепи, которая необходима для подключения резистивных преобразователей. Широкое применение имеют тензорезисторы. Они используются для иссле- дований напряженных состояний сложных конструкций и для преобразования в электрические сигналы механических напряжений, возникающих в упругих измерительных элементах под воздействием внешних нагрузок. Полезное изме- нение сопротивления проволочных тензорезисторов весьма мало и составляет доли процента от их начального сопротивления (100—500 Ом). Нужно отме- тить, что начальные сопротивления тензорезисторов после изготовления и при- клеивания могут отличаться на :±2% от номинального значения. Для датчиков
без термокомпенсации ее необходимо производить схемным способом с приме- нением компенсационных тензорезисторов, расположенных в том же месте и находящихся в тех же условиях, что и рабочие тензорезисторы, но не испы- тывающих воздействие измеряемых механических деформаций. В измерительной системе К732 предусмотрена возможность двух- и трех- проводного включения термокомпенсированных тензорезисторов (рис. 7.21,а, б), а также использование одного (рис. 7.21,в) и двух компенсационных тензоре- зисторов. Длина соединительных проводов (кабелей) от тензорезисторов до коммутатора (на схеме они выделены зигзагообразными отметками) до 50 м, при двухпроводном включении сопротивление каждого провода должно находиться в пределах 1,750±0,01 Ом, а при трехпроводном сопротив- ления линий не должны отличаться друг от друга более чем на ±0,02 Ом. Количество коммутируемых рабочих тензорезисторов 127. Для коммутации тензорезисторов используются магнитоуправляемые контакты реле РЭС-44. По- следовательность срабатывания реле определяется управляющей матрицей (16 строк и 8 столбцов), на которую управляющие напряжения поступают от усилителей комбинационных дешифраторов на схемах совпадения, связанных со счетчиками номера канала коммутации. Все электронные узлы выполнены на интегральных элементах серии К155. Операции одной коммутации и изме- рения занимают около 10 мс. Режимы коммутации — непрерывная и разовая циклическая, а также адресная. Если преобразовать параметры резистивных датчиков в активные сигналы, то тогда могут быть использованы коммутаторы напряжений или токов. При этом иногда удается повысить быстродействие и срок службы. Некоторые све- дения о коммутаторах, выпускаемых приборостроительной промышленностью, имеются в [7.11]. 7.4. ЗАЩИТА ВХОДНЫХ ИЗМЕРИТЕЛЬНЫХ ЦЕПЕЙ ИИС ОТ ПОМЕХ Под помехоустойчивостью ИИС понимается их способность противостоять вредному влиянию помех. Основные пути повышения помехоустойчивости ИИС связаны с улучшением защиты от помех аналоговых измерительных цепей си- стем и с уменьшением влияния помех на результат измерения, главным образом, путем соответствующей обработки измерительной информации в ИИС. Учитывая, что помехоустойчивость ИИС в значительной степени опреде- ляется защитой от помех аналоговых входных измерительных цепей, далее в сжатом виде рассматриваются основные способы такой защиты. Более подроб- но этот материал изложен в [7.12]. Виды и источники помех Помехи могут вызываться процессами, происходящими внутри ИИС, а так- же влиянием внешних источников помех. Причинами внутренних помех могут служить тепловые шумы в резисторах, термо-ЭДС, изменение сопротивлеиия изоляции, перекрестные влияния измери- тельных цепей, связи измерительных цепей с цепями питания. К внутренним помехам могут быть также отнесены изменения напряжения источников пи- тания, превышающие допустимые: пе считается помехой только кратковремен- ное (от 1 до 30 периодов частоты сети) понижение напряжения сети питания до 30% номинального, полный перерыв в питании может быть до 5 периодов частоты сети (100 мс). Кроме того, через сеть питания могут проникать им-
пульсные высокочастотные возмущения (до 20 МГц) с повышенной амплитудой и длительностью до нескольких микросекунд. Внешние атмосферные помехи возникают в результате разрядов молний, возникающих в большом количестве (до сотен разрядов в секунду) на Земле, а также от электризации частиц (пыли, снега и т. и.) в атмосфере Земли. К другому виду внешних электрических помех относятся индустриальные помехи, создающиеся промышленными установками, радиостанциями, электро- оборудованием автотранспорта и т. п. Расположенные вблизи измерительных цепей электроэнергетические уста- новки и силовая проводка питания являются основными источниками так на- зываемых наведенных, или поперечных, помех. Эти помехи являются след- ствием воздействия внешних электромагнитных полей, а также реактивных свя- зей измерительных цепей с источниками помех. В свою очередь такие факторы, как изменение сопротивления изоляции (например, от влияния повышенной температуры), появление разности потенциалов в разных точках заземления аналоговой измерительной цепи, тепловые шумы могут явиться источниками помех другого вида, которые носят название продольных. Приведем пример [7.13J, показывающий возможный уровень помех от элек- трической нагревательной печи, имеющей общую потребляемую мощность 60 кВт. В непосредственной близости от печи максимальное значение напряженности магнитного поля в нашем эксперименте было равно 520 А/м, а на расстоянии 2м-— примерно 40—70 А/м, причем напряженность магнитного поля довольно существенно изменялась по высоте. Напряженность электрического поля дости- гала 500 В/м. На проводах длиной 5 м при расстоянии между проводами 2 мм и расположении проводов вблизи печи на частоте 50 Гц может наводиться напряжение помехи порядка 2-10~3 В. Если учесть, что чувствительность тер- мопар лежит в пределах от 0,5-10-s до 7-10-5 В/°С, то становится понятной настоятельная необходимость защиты цепей от поперечных помех. При длине соединительной линии около 30 м и расстоянии между провода- ми 2 мм на частоте 50 Гц в условиях промышленных помещений напряжение поперечной помехи может принимать значения от нескольких микровольт до десятков милливольт. Если параллельно измерительным проводам проходят силовые провода, то из-за наличия взаимной индуктивности ЭДС, наводимая на измерительных про- водах, может быть найдена из выражения е=—Mdijdt=—2-10+71 \Ti(al2a2ilalla.a) (di/dt), где I — длина проводов; М •—коэффициент взаимной индуктивности; I— ток в проводах; а — расстояние между проводами. Нужно учитывать и емкостные связи между проводами. Так, при длине соединительных линий 30 м, погонной емкости 150-10-12 Ф/м и сопротивлении линии 100 Ом может быть получено напряжение помехи порядка 15,5-10-3 В при напряжении на силовых проводах 220 В. По форме помехи любого происхождения разделяются на импульсные, флук- туационные и регулярные. Импульсные помехи—это случайно появляющиеся импульсы (но обычно с интервалом не менее длительности импульса) произвольной формы. При не- зависимости времени и амплитуды импульсов помех вероятность появления К импульсов в течение времени t будет равна рк (i) = К I C-Kot (здесь До —
среднее число импульсов в единицу времени), а плотность распределения ве- роятностей логарифмов амплитуд импульсов f (lnr/J = (1/У2по) е~ (,п^>2/2’2. Весьма часто форма импульсов имеет экспоненциальный характер: y(t) = y(t)=-A0 (1 -ё~ cos <о0«). Флуктуационные помехи — непрерывный случайный процесс, распределение вероятностей которого близко к нормальному: Корреляционные функции помехи часто описываются выражениями 7?^ (ъ) = а2е~а° । т ' или R* (т) = а2е~“ 1 т 1 cos <о0т. Регулярные помехи наиболее часто проявляются в виде наведенных помех с частотой сети и ее гармоник: J У (t) = Ав + 2 Aj cos (<о/ + V/). 7=1 Весьма широко используется разделение помех на аддитивные, независимые от полезного сигнала, и мультипликативные. Аддитивные помехи y(t) могут суммироваться с полезным сигналом x(t), а мультипликативные помехи служат множителем этого сигнала. Основные способы защиты от помех Для оценки эффективности защиты от помех далее используется коэффи- циент ослабления помех 20 log ип.вх/ип.вых, дБ. К общим мерам уменьшения влияния помех следует отнести использование вида модуляции сигналов, обеспечивающего нужную помехоустойчивость, и повышение уровня полезного сигнала. Рациональный выбор вида модуляции сигналов может быть сделан, если известен характер помех. При таком выборе должен быть использован соответствующий материал [7.1]. Для повышения уровня полезного сигнала используется переход к импульс- ной модуляции. Предполагается, что при переходе от AM- к АИМ-сигналу удается сокращением длительности импульса повысить его амплитуду. Предел такому повышению сигнала ставят тепловые, временные ограничения, а в не- которых случаях — электрическая прочность элементов измерительной цепи. При использовании импульсного питания измерительных цепей с тензорезисторами, закрепленными на поверхности металлической детали с достаточной теплоем- костью, удается повысить полезный сигнал более чем на порядок и ослабить влияние помех до 20 дБ. Нужно отметить, что длительность импульса, постоян- ные времени измерительной и тепловой цепей должны быть такими, чтобы за время измерения тепловой режим изменился незначительно. Для уменьшения влияния продольных помех используется ряд мер. Одна из них —• гальваническое разделение частей цепи, в которых имеются места за- земления. Гальваническое разделение производится преимущественно с помощью трансформаторов и разделительных конденсаторов. Принцип их действия ясен из рис. 7.22 и 7.23. Ключи могут быть как контактными, так и бесконтактными. Гальваническое разделение измерительных цепей с помощью оптронов пока на- ходится в исследовательской стадии.
Рис. 7.22. Измерительные схемы для уменьшения продольных помех с раздели- тельным и компенсирующим трансформаторами: Эр Э2 — экраны; ги, гл — сопротивления генераторного датчика и проводов; Епд — ЭДС продольной помехи; Li, L2, L-. — обмотки компенсирующего трансформатора Рис. 7.23. Измерительные схемы для уменьшения продольных и попереч- ных помех: ТП — термопара; КТ — компенсирующий трансформатор; С — разделительный кон- денсатор Рис. 7.24. Симметрирование входной цепи Другая мера — симметрирование входной измерительной цепи (рис. 7.24). Напряжение от продольной помехи £пд на входе АВ: ыАв=£пд[£вх1/(£вх1 + Ч-Ги+Гл)— Двх2/(Двх2-Нл)] при /?Вх1=/?вх2>Ги+Гл стремится к нулю. Если соединить точку между RBXi и £пх2 с землей через высокоомное сопротивление Ro, то можно добиться дополнительного уменьшения Наконец, используются мостовые цепи, сбалансированные по напряжению продольной помехи, и компенсирующие трансформаторы. На рис. 7.22,6 представлен трехобмоточный (£;, £2, L3) трансформатор, в обмотках £i и £2 которого наводятся напряжения, компенсирующие влияние помехи £Пд. Имеются трансформаторы (фирма Philips), у которых индуктивность обмо- ток равна 400 Гн, а активное сопротивление — 240 Ом; в такой схеме происхо- дит уменьшение продольной помехи 50 Гц примерно в 500 раз. Защита измерительных цепей от внешних наведенных (поперечных) помех достигается рядом мер, к числу которых относятся уменьшение длины прово- дов за счет приближения к датчикам аналого-цифровых измерительных устройств, а также сближение и скрутка проводов, идущих к датчикам. При скрутке проводов ЭДС, наводимые в отдельных элементарных контурах, вычи-
таится, и благодаря этому удается уменьшить влияние поперечных помех на измерительные провода на несколько порядков. Применяют также магнитное и электростатическое экранирование входных цепей от низкочастотных и высокочастотных магнитных полей. Экраны должны иметь замкнутую поверхность, охватывающую измерительную цепь и отдельно источники переменного тока. Части систем с разными потенциалами или имею- щие гальванические развязки должны иметь свои экраны. Экранировка прово- дов может ослабить наведенные помехи 50 Гц до 30 дБ. Компенсировать наведенные помехи можно путем организации специальных контуров. Типичные решения при этом связаны с трехпроводными схемами под- ключения датчиков (см. предыдущий параграф), применением компенсирующего трансформатора и др. При использовании параметрических датчиков можно изменять полярность питания измерительной цепи и брать среднее из суммы и разности полезного сигнала ис и помехи ut[ : [(un + «c) + (ип—ыс)]/2. При синусоидальной наведенной помехе возможно выполнение измерений в моменты, когда помеха принимает допустимо малый размер. При таком мето- де удается получить значительное ослабление помехи. Для уменьшения внутренних помех целесообразно провода питания про- кладывать и экранировать отдельно от измерительных проводов с низким уров- нем полезного сигнала, коммутация сигналов высокого и низкого уровней долж- на проводиться отдельными коммутаторами. В необходимых случаях следует использовать специальные средства защиты от перерывов питания. Должны быть продуманы места заземления измерительных цепей. Неко- торые из таких мест определяются правилами электробезопасности или техно- логическими приемами монтажа элементов измерительной цепи (например, при- соединением спая термопар к металлической поверхности). Некоторые точки заземления могут появиться в процессе измерительного эксперимента, напри- мер, из-за нарушения сопротивления изоляции, что может привести к органи- зации контуров, вызывающих дополнительные погрешности. Такие контуры об- разуются, если заземлять экраны в нескольких точках. При проектировании системы рекомендуется составить и проанализировать схему заземления, а при наладке — уточнить ее. Дальнейшее повышение помехоустойчивости может быть достигнуто обра- боткой суммы сигнала с помехой, имеющей случайный характер, в аналоговом или цифровом виде. Наиболее часто встречающиеся здесь виды обработки — это фильтрация и накопление сигналов, в течение которого происходит усред- нение. В интегрирующих аналого-цифровых преобразователях ослабление влия- ния помех может достигать 100 дБ. Индивидуальные фильтры, как правило, просты (обычно однозвенные ДС-фильтры). Их частотная характеристика выбирается, исходя из спектральных характеристик сигналов и помехи. Удобные номограммы для расчета ДС-фильт- ров приведены в [7.14, 7.15]. Ослабление сигнала и внесение запаздывания — наибольшие недостатки фильтрации. На практике при фильтрации и избира- тельном усилении удается ослабить помехи на 40 дБ, а при методе накопле- ния— иа 120 дБ. При проектировании аналоговых измерительных цепей выбирается такой комплекс средств защиты, при котором действие помехи не превышает заданно- го уровня.
Глав а 8 СТРУКТУРЫ И АЛГОРИТМЫ АНАЛОГО-ЦИФРОВОЙ ЧАСТИ ИИС 8.1. ОСНОВНЫЕ СТРУКТУРЫ АНАЛОГО-ЦИФРОВОЙ ЧАСТИ Аналого-цифровая часть (АЦЧ) ИИС состоит из аналоговых измерительных каналов и системных аналого-цифровых устройств (САЦУ). Аналоговые измерительные каналы предназначены для восприятия входных величин, их преобразования в измерительные сигналы и последующего преобразования аналоговых сигналов с помощью измерительных цепей, а системные аналого-цифровые устройства служат для выполнения заданного множества анало- го-цифровых преобразований в составе самих систем. Выделим основные элементы систем, без которых невозможно получение измерительной информации, и на этой элементной ба- зе определим возможные структуры АЦЧ. К основным элементам любых АЦЧ относятся датчики и аналоговые измерительные це- пи, которые обозначим через Д, устройства М, формирующие значения образцовых мер, устройства сравнения аналоговых сиг- налов и образцовых мер УС. Устройство автоматического управления работой элементов АЦЧ также является необходимым элементом, но в первом при- ближении можно его считать равноценным для всех вариантов структур и поэтому не включать в состав базиса элементов, опре- деляющего основные структуры. Для выявления основных структур АЦЧ предположим, что необходимо измерить п величин. Максимальное количество дат- чиков в этом случае должно быть равно п, минимальное — одно- му. В последнем случае датчик должен последовательно воспри- нимать все п величин. Примем в первом приближении, что максимальное количество устройств сравнения и образцовых мер равно п, а минимальное— единице. В то же время будем подразумевать, что в некоторых структурах при измерении отдельных величин могут быть исполь зованы перечисленные выше способы выполнения операций срав- нения и выдачи информации. В табл. 8.1 показаны предельные количества основных эле- ментов ИС и основные структуры для рассматриваемого случая. Необходимо еще раз подчеркнуть, что здесь не представлены, но могут быть синтезированы многочисленные промежуточные (ком- бинированные) варианты. Следует пояснить, что под элементами УС и М здесь подразумевается набор устройств сравнения и фор- мирования мер, необходимых для реализации принятого алгорит- ма аналого-цифрового преобразования [8.1]. Этот набор может быть в измерительных каналах различным. Формирование ре- зультата аналого-цифрового преобразования в табл. 8 1л на рис. 8.1 не отражено, так как считается, что оно производится в устройстве управления.
Таблица 8.1. Основные структуры АЦЧ А. Предельные количества основных элементов структур АЦЧ Аналоговые цепи Параллельная работа Последовательная работа Датчики (Д) п 1 (со сканирующим уст Устройства сравнения (УС) п ройством) 1 Образцовые меры (магазины или на- п 1 боры) (М) Б. Основные структуры № струк- туры Количество элементов № струк- туры Количество элементов д УС м д УС м 1 11 п п 5 1 п 11 2 1 6 1 3 1 п 7 1 11 4 1 8 1 Рис. 8.1. Основные варианты структур аналого-цифровой части ИИС: ° ~ ЯД—лУС—яМ; б — яД—пУС—М; е — яД—УС—М; г — Д—УС—М
Вариант структуры Тип структуры Количество элементов S по рис. 8.1 по табл. 8.1 д УС к м СкУ а 1 Параллельного действия (мно- гоканальная) п п — п — б 2 Мультиплицированная п п — 1 — в 4 Параллельно-последовательно- го действия п — п 1 — г 8 Последовательного действия 1 1 — 1 1 На рис. 8.1 представлены структуры, нашедшие наибольшее распространение. К ним относятся структуры АЦЧ параллельно- го принципа действия (рис. 8.1,а), параллельного принципа с об- щим набором образцовых мер (рис. 8.1,6), параллельно-последо- вательного (рис. 8.1,в) и последовательного (рис. 8.1,а) принци- пов действия. Перечисленные варианты структур на практике имеют более или менее установившиеся названия: а—многока- нальные, б — мультиплицированные, в — многоточечные, г — ска- нирующие или развертывающие структуры. В последующем рассматриваются АЦЧ систем, имеющие именно эти структуры. Сопоставим между собой структуры последовательного (----), параллельного (||), параллельно-последовательного (—||—) дей- ствия, а также мультиплицированную структуру (^ ) по количе- ству элементов S, времени измерения Т, пропускной способности С и вероятности безотказной работы Р (табл. 8.2). Через СкУ и К в табл. 8.2 обозначены соответственно сканирующие и коммута- ционные устройства. При сопоставлении этих структур примем, что характеристики однотипных элементов в них одинаковы и структуры отличаются одна от другой количеством элементов и функциональными свя- зями между ними, что все АЦЧ предназначены для преобразова- ния и величин, размещенных в пространстве. В табл. 8.2 приведены выражения для S, Т, С и Р с индекса- ми, относящимися к соответствующим типам структур. Под min С' понимается наименьшая из пропускных способностей эле- г
Характеристики Быстродействие Т Пропускная способность С Вероятность безотказной работы Р тд+тус+тм п min Ci i (1 — Wm) 1 'бд+'1ус+’1м п min С; i (Рд,рус)пр1л < < < [1 — (1 Т'дРус)]'’ Рщ ’1д+и ("м+"ус~ ^к) min C; i PnjiPyCPM < р— и — < < [1 — (1 —^д)''1 РуОРН\ п ^д+^Ус+^м+^СкУ) minC£ । г Р = ^д^уС^М^СкУ ментов системы (Д, М, УС, СкУ и К), под т — постоянная вре- мени элементов. Необходимо отметить, что приведенные в табл. 8.2 данные могут быть использованы лишь для грубой оценки характеристик структур АЦЧ и должны уточняться в зависимости от типа и ре- жима работы систем. Так, при оценке вероятности безотказной работы системы можно считать, что выход из строя любого из элементов в системе последовательного действия приведет к вы- ходу из строя всей системы. В то же время в системе параллель- ного действия отказ одного элемента приведет только к неполно- ценной работе системы — отказу одного из п каналов измерения. Время работы отдельных элементов в АЦЧ различного типа не может выбираться произвольно, между их работой должна быть определенная взаимосвязь, которая будет ясна из дальнейшего. Остановимся на типовых алгоритмах и особенностях функци- онирования основных структур аналого-цифровых частей ИИС. 8.2. АЛГОРИТМЫ ФУНКЦИОНИРОВАНИЯ АНАЛОГО-ЦИФРОВОЙ ЧАСТИ ИИС Структура параллельного действия (многоканальная) Содержательная логическая схема алгоритма многоканальной структуры (рис. 8.1,а) отражает одновременную параллельную работу п самостоятельных измерительных каналов: [<1Ц= : Ii (х^/Хц) Ii(X]i/X2i) Ii (^i/^i)] II-• .||<In>.
Для выполнения аналого-цифровых преобразований могут ис- пользоваться любые из алгоритмов АЦП (развертывающего, по- разрядного, следящего преобразования, совпадения) и их разно- видностей. При этом, конечно, должна быть произведена соот- ветствующая логическая обработка сигналов от устройства срав- нения и значений мер, участвующих в операциях сравнения. Основные достоинства многоканальных структур связаны с возможностью измерения разнородных физических величин, ис- пользования одноканальных измерительных устройств, достиже- ния максимального быстродействия и высокой схемной надежно- сти. Надежность многоканальных структур зависит от предъявля- емых к ним требований. Если считать, что структура работоспо- собна при исправности всех элементов, входящих в нее, то тогда (при одинаковых измерительных каналах) вероятность без- отказной работы такой структуры может быть относительно низ- кой: Р|| = (АдРус-Рм)”- Но если считать, что измерительные каналы резервируют друг друга, то вероятность безотказной работы структуры будет равна 1—(1—Рд РусРм)п- Реальная надежность такой структу- ры будет находиться между надежностями этих двух крайних ситуаций: (РдРусРмГ^Рн < 1 - (1 - РдРусРм)"- Основной недостаток структуры связан с наибольшим (по сравнению с другими структурами) количеством формирующих ее элементов. Мультиплицированная структура (с общей образцовой величиной) Мультиплицированные структуры были предложены Ф. Е. Тем- никовым в 1945 г. [8.2]. В них получил дальнейшее развитие принцип развертывающего измерительного преобразования, ши- роко используемый при измерении одной величины. Отличительные выдающиеся особенности мультиплицирован- ной структуры заключаются в том, что в этой структуре произ- водится «коллективное» преобразование всех п аналоговых сиг- налов от измерительных цепей за один цикл изменения образцо- вой величины Хк и при этом могут выполняться операции преоб- разования обработки и информации. Остановимся на свойствах мультиплицированных структур более подробно. При линейном во времени изменении Хк мультиплицирован- ная структура может использоваться для коллективного преоб- разования п AM-сигналов в ШИМ-сигналы, для аналого-цифро- вого преобразования однородных величин без применения ком- мутаторов, для выделения и аналого-цифрового преобразования экстремальных сигналов, ранжирования сигналов по их размерам, выделения сигналов, находящихся в заданных зонах, и т. п. Заме-
и известного текущего зна- Рис. 8.2. К измерению п величии, разделенных на р групп тим, что цифровое управление изменением образцовой величины дает более широкие возможности построения эффективных авто- матических мультиплицированных структур. В мультиплицированных структурах имеется возможность разделения общего количества датчиков п на р групп. Каждая из групп датчиков охватывается своим диапазоном изменения образ- цовой величины (рис. 8.2). На выходе устройств сравнения в мо- мент равенства измеряемой величины чения Хк образцовой величины по- являются сигналы, позволяющие получить результаты преобразо- вания. Следует отметить, что образцо- вая величина может быть известна при ее формировании и (или) мо- жет быть измерена с помощью до- полнительного устройства. Мультиплицированные структу- ры особенно удобно использовать для выявления точек поля, в кото- рых исследуемая величина равна заданному значению.. При необходимости выделения и фиксации значений измеряе- мых величин в заданных точках (адресный режим) имеется воз- можность подключать к устройству представления информации выходы соответствующих устройств сравнения. Устройство формирования образцовой величины может гене- рировать линейно зависящую от времени функцию. Тогда в муль- типлицированной структуре производится, по существу, время- импульсное преобразование измеряемых величин. Если генериру- ется ступенчато нарастающая функция, например, с помощью ЦАП, то существенно упрощается получение цифрового резуль- тата измерения. Если образцовая величина формируется в зави- симости от линейного или углового перемещения какого-то задаю- щего устройства, то упрощаются возможности представления ре- зультатов измерения в графическом виде. Вид устройств сравнения и генераторов, формирующих образ- цовую величину, в мультиплицированных структурах зависит главным образом от типа модуляции сигналов. Наиболее широко в мультиплицированных структурах использу- ются датчики с выходными AM-сигналами. Тогда в большинстве случаев используются устройства сравнения релейного типа, а генератор образцовой величины формирует линейно возрастающее во времени или ступенчатое компенсационное напряжение. Возможно также использование сигналов параметрических датчиков для изменения настройки резонансных контуров или ре- жимов работы частотно-зависимых цепей, а в качестве генерато- ра образцовой величины — генератора качающейся частоты.
Перспективно использование мультиплицированных систем, работающих с генератором качающейся частоты, датчиками, име- ющими выходные ЧМ-сигналы, и устройствами сравнения, фик- сирующими равенство частот колебаний сигналов датчиков и ге- нератора. Известны структуры, в которых под воздействием исследуе- мых величин изменяются и выделяются амплитудные или фазо- частотные характеристики — особые точки (например, экстремум, перегиб характеристики) устройств сравнения (например, резо- нансного контура) [8.5]. Рис. 8.3. Мультиплицированная циф- ровая структура Рис. 8.4. Мультиплицированная структура с использованием переход- ных процессов Для обслуживания объектов, размещенных на некотором рас- стоянии друг от друга, может быть реализована предложенная Ф. Е. Темниковым передача централизованной цифровой раз- вертки цифро-аналогового преобразования в места установки аппаратуры и передача сигналов срабатывания устройств срав- нения в центр цифровой развертки (см. гл. 18). Мультиплицированные структуры с выдачей результатов в цифровом виде могут быть выполнены, например, по схемам, представленным на рис. 8.3. Номер датчика I, а также код zK компенсирующего напряже- ния выдаются устройством управления. Цифро-аналоговый пре- образователь формирует образцовую величину хк=/Дхк, которая сравнивается со всеми аналоговыми сигналами {хп}. Величина j в начале работы равна 0. Формально мультиплицированная структура описывается так Ф(В) {[I. (xjxj |[I2(x0Jx12) || -Il I„(xjxin)] || [[_ Ф (/:= /+1) X XI(z7//Axk)]} {[IJCR:^, /Дхк) «>,(х„ = /Дхк) Di = 1)]|| ...X X- ||[I„(CR:x1„, /Дхк) »„(xlh=^/AxK)I„(S:z/, Di = /z)]}X х со (j = N) П Ф(Е).
Быстродействие мультиплицированных структур зависит от количества ступеней N компенсационной величины и не зависит от количества п входных величин. Если количество ступеней А= =2т, то при поразрядном преобразовании одной величины затра- чивается т тактов сравнения, при преобразовании п величин — пт тактов, а при применении мультиплицированной структуры необходимо произвести независимо от количества входных ве- личин 2т тактов. Если mi = 7 и т2 = 10, то при равных условиях мультиплици- рованная структура становится более быстродействующей соот- ветственно при «1^15 и п2^Ю0. Погрешности мультиплицированных структур от взаимного влияния каналов примерно такого же порядка, как и в коммута- торах (см. гл. 7). Применение мультиплицированных структур с параметриче- скими датчиками может привести к необходимости организации од- новременного питания всех измерительных цепей. В некоторых слу- чаях мощность стабилизированного питания может достигать не- скольких киловатт. Уменьшение мощности источника питания мо- жет быть достигнуто применением импульсного питания, а сни- жение требований к стабильности питания — использованием пе- реходных процессов (рис. 8.4). В этой структуре на вход срав- нивающего устройства подаются напряжения Uj? =Uo/?2/(/?i-(- +^2)=^«о и Uc=iJ0 (1 — е tlRx °). В момент достижения равенст- ва &u0 = (l — е tlRxC°)u0, t=RxC0\n(l—k) устройства сравнения выдают сигналы, позволяющие снять отсчеты zK. Важным вопросом, который приходится решать при примене- нии мультиплицированных структур, является идентификация сигналов, выдаваемых устройствами сравнения. Типичными способами определения номера канала являются: опрос устройств сравнения на каждой ступени /Дхк; этот спо- соб приводит к значительным затратам времени: одна ступень об- разцовой величины должна длиться не менее ("ус+пта), где tyc— время срабатывания устройства сравнения, т«— время опроса, п — количество входных величин; суммарное время Tz=N(iyc + + ttTa) ; задержка ступени при срабатывании любого устройства срав- нения и опрос устройств сравнения (суммарное время при этом будет зависеть от распределения вероятностей входных величин); использование табличных методов хранения адреса; этот спо- соб может привести к наименьшим затратам времени. В табл. 8.3 приведена классификация мультиплицированных структур. Структура параллельно-последовательного действия (коммутаторная, многоточечная) Многоточечные структуры АЦЧ (рис. 8.1,в), в которых орга- нически сочетаются параллельный принцип получения и после- довательный способ преобразования измерительных сигналов,
имеют, пожалуй, наиболее широкое, господствующее применение в ИИС. Наиболее типичная и распространенная ситуация, в которой используются структуры параллельно-последовательного дейст- вия, состоит в необходимости получения измерительной информа- ции о заданном количестве однородных или разнородных вели- чин, воспринимаемых с помощью датчиков. На многоточечные структуры накладываются ограничения, которые связаны в боль- шинстве случаев с требованиями последовательной (програм- Таблица 8.3. Основные характеристики мультиплицированных структур Признаки Характеристики признаков Вид модуляции Характер преобразования Число каналов вывода Количество поддиапазонов Наличие времяимпульсного преобразова- ния AM Линейный?' 1 1 Да ЧМ, ФМ Нелинейный >2 Нет мной) или выборочной (адресной) выдачи результатов аналого- цифровых преобразований, при этом должны удовлетворяться требования по метрологическим и эксплуатационным характери- стикам при минимальной сложности и стоимости. Стремление к уменьшению сложности структуры приводит к многократному последовательному использованию отдельных устройств измерительного тракта, а следовательно, к применению структур параллельно-последовательного действия, которые носят также название многоточечных структур. Возможность последовательного выполнения аналого-цифро- вых преобразований появляется лишь при условии, что суммар- ное время этих преобразований не будет превышать наименьшего интервала дискретизации преобразуемых величин. Следует подчеркнуть, что наиболее инерционные элементы из- мерительного канала (датчики) включены параллельно. Поэто- му можно считать в первом приближении, что время, необходи- мое для выполнения п аналого-цифровых преобразований, 7 = — ’д+п(тк-Нус+тм), здесь тд, тк, -сус.тм — времена, характери- зующие длительность преобразований датчиков, коммутации, сравнения и формирования мер соответственно. Для согласования частей измерительного тракта, работающих по параллельному и последовательному принципам действия, в таких структурах применяются коммутаторы. Поэтому иногда подобного рода структуры называются также коммутатор- ными. Остановимся кратко на основных структурах многоточечных ИС (рис. 8.5). При относительно небольшом количестве однород- ных по физической природе источников информации («<100)
Рис. 8.5. Параллельно- последовательные струк- туры: а — одноступенчатая; б — двухступенчатая; в — трех- ступенчатая; М — магист- ральный канал обычно используются одноступенчатые структуры. Функциониро- вание одноступенчатой параллельно-последовательной структуры (рис. 8.5,а) при циклической работе коммутатора может быть опи- сано следующим образом: Ф(В) [I || ... || UXoiMli) II II1 КХ)1 X X L Ф (i: = i + 1; i0 = 0) I (X/xi;) I (xlZ/zz) I (zz) <o (i = n) "1 Ф (E). Количество ступеней структуры определяется числом последо- вательно расположенных узлов, в которых изменяется объем ин- формационных каналов. Необходимо заметить, что в этой струк- турной схеме после аналого-цифрового преобразования кодоим-
пульсный сигнал может передаваться параллельно или последо- вательно. Но и в том, и в другом случае будем считать, что ин- формационный канал один, и, следовательно, это обстоятельство не влияет на определение количества ступеней системы. Если количество измеряемых величин велико (и>100), то на- ходят применение двух- и, редко, трехступенчатые структуры (рис. 8.5,6, в). В ряде случаев оказывается полезным (например, в связи с уменьшением длины соединительных линий) использо- вание магистрального соединения, обозначенного на рис. 8.5,6, в буквой М. Измерительные системы с количеством ступеней, пре- вышающим три, встречаются относительно редко. Выбор количества ступеней в структуре определяется необхо- димостью обеспечить заданные быстродействие и точность, повы- сить надежность работы (путем резервирования), упростить экс- плуатацию. Об этом говорилось в предыдущей главе. Немаловажное значение при выборе структуры имеет также возможность (при использовании двухступенчатых структур) от- носительно просто наращивать количество измеряемых парамет- ров, вводя дополнительные блоки первичных коммутаторов и АЦП. На рис. 8.5 не показаны блоки управления, блоки памяти, ко- торые необходимы в случае, если АЦЧ должна выдавать измери- тельную информацию не в ритме ее получения (не >в реальном времени проведения измерительного эксперимента), а также дру- гие функциональные блоки, необходимые для обеспечения работы системы. Таблица 8.4. Классификация многоточечных структур Классификационный признак Характеристики признаков Количество ступеней структуры Последовательность работы Выдача измерительной информации Применяемые соединения 1 Жестко запрограм- мированная Непосредственно в процессе эксперимента Магистральные Адресная С промежуточным запоминанием Радиальные Обобщая сказанное, можно прийти к достаточной для наших целей систематизации многоточечных структур (табл. 8.4). Коли- чество разновидностей таких структур велико, и помимо основных типов, определяемых признаками, приведенными в табл. 8.4, они различаются по видам и параметрам входных сигналов (в том числе и по виду модуляции), по типам коммутаторов, АЦП и т. п. Структура последовательного действия (сканирующие системы) В структурах последовательного действия операции получения информации выполняются последовательно во времени с помощью одного канала аналого-цифрового преобразования (см. рис. 8.1,г).
Рис, 8.6. Измерение месторасположения точки на [О, £]: — разрешающая способность датчика; L — перемещение датчика; а — угол сканирова- ния; h — расстояние от датчика Дя до линии наблюдения. Варианты использования датчи- ков: Д\ — измерение I и AZ; Д2 — измерение сс, Z, АЛ h Если измеряемая величина распределена в пространстве или объектом измерения являются собственно координаты некоторой точки или области простран- ства, то восприятие информации в таких структурах выполняется с помощью одного так называемо- го сканирующего датчика. Такие структуры носят название ска- нирующих. Этот тип структур входит в более общий класс инфор- мационных систем, называемых сканирующими системами [8.3] и предназначенных для воспроизведения пространственных обра- зов на расстоянии (телевидение), для разнообразных преобразо- ваний пространственных образов в целях, например, выделения контуров, характерных точек и т. п. Сканирующие структуры могут классифицироваться по коли- честву измеряемых величин. Они могут выполнять операции ана- лого-цифрового преобразования места расположения некоторой точки (рис. 8.6) на прямой линии L, точки или кривой на пло- скости или в пространстве. В качестве системы координат, конеч- но, могут быть использованы различные, в том числе нелинейные системы. Для выявления основных закономерностей сканирую- щих структур далее остановимся на прямоугольной системе коор- динат) . При исследовании параметрических полей (температур, дав лений, механических напряжений и пр.) сканирующие структуры должны дать количественную оценку этих параметров в заданной системе координат. Однако не во всех случаях необходимо знать точное количест- венное значение величин во многих точках пространства. Иногда достаточным оказывается найти экстремум исследуемого парамет ра и измерить его или найти места равных значений исследуемо- го параметра. В сканирующих ИС в целях улучшения некоторых характери- стик систем (например, быстродействия) довольно часто произво- дится преобразование области сканирования и исследуемого па- раметра в промежуточную физическую величину (например, 'в электрический потенциал). При таком промежуточном преобразо- вании могут выполняться и некоторые операции обработки (на- пример, преобразование Фурье, дифференцирование и т. д.). Очень важной является возможность визуализации таких ви- дов излучений, как, например, тепловые, 'высокочастотные элек-
тромагнитные, рентгеновские. Это позволяет не только наглядно представлять распределение таких параметров в пространстве, но и использовать методы количественной оценки визуальной инфор- мации. При промежуточных преобразованиях часто оказывается полезным для снижения погрешностей измерения производить одновременное преобразование неизвестной и известной образцо- вой величин. Сканирующие датчики могут быть выполнены таким образом, что они при выполнении операций восприятия информации вхо- дят в непосредственный контакт с исследуемым параметром или областью сканирования либо воспринимают измеряемые величины при отсутствии непосредственного контакта («бесконтактные» датчики). Примерами «контактных» датчиков могут служить термопары или термометры сопротивлений, «бесконтактных» — радиационные пирометры. Сканирование путем перемещения «контактного» датчика Д\ (рис. 8.6) вдоль объекта измерения широко используется при геофизических исследованиях, в океанологических исследованиях, при изучении космического пространства и т. п. Дистанционное сканирование с помощью «бесконтактных» датчиков Д2 с постоянным полем их восприятия применяются при телевизионных методах измерения геометрических размеров, в радиолокационных системах измерения дальности, в ультразву- ковой дефектоскопии, при измерении параметров тепловых полей по инфракрасному излучению, при использовании лазеров для оценки параметров высокотемпературной плазмы (рассеяние лу- ча при этом пропорционально температуре, а изменение интенсив- ности— плотности плазмы) и т. п. При выделении и измерении экстремумов измеряемых величин можно выполнять пассивное и активное сканирование. При пас- сивном сканировании траектория движения луча предопределена заранее и не изменяется в процессе сканирования. СЛСА сканирующей структуры при пассивном сканировании, т. е. при определенной заранее последовательности выполнения преобразования входных величин (переход i:=/), может быть представлена в виде . |_ф(г: = /) I (8:^)1- I Активное сканирование связано с изменением траектории ска- нирования в зависимости от информации об измеряемой величи- не, получаемой системой в процессе сканирования. Активные ска- нирующие структуры осуществляют поиск определенного значе- ния измеряемой величины с учетом результатов пробных движе- ний. Нахождение экстремума измеряемой величины, распределен- ной в пространстве и имеющей непрерывный характер, с. исполь- зованием активного сканирования позволяет резко уменьшить
протяженность траектории сканирования по сравнению с длиной траектории пассивного сканирования. Когда величина х распределена в пространстве и является функцией координат пространства уь у2, , Уп, то может быть реализовано несколько методов поиска ее экстремального значе- ния. В этом случае СЛСА должна включать сбор и анализ измери- тельной информации в целях определения наилучшего пути к до- стижению заданной характерной области исследуемой величины. В общем виде при нахождении экстремального значения величи- ны х, при котором S (дх/дуг) =0, производится' оценка (dx/dyi)] и принимается на основании установленного решаю- щего правила заключение о продолжении или окончании поиска экстремума. СЛСА при активном сканировании может иметь сле- дующий вид: установление области поиска Ф(В) 1 сбор информации по заданной программе х [I + 1 (^А) I (S:zz) со (i X 2 оценка близости I XI (СР: Z) СО [F (Z) < S] И I (S: Di, Z) Ф (Е). Метод, при котором сканирование происходит по направлению градиента изменения величины, называется методом градиента. Градиент изменения измеряемой величины является вектором и определяется следующим образом: gradx=;^ k(dxldyi), i=i где к — единичные векторы осей координат у-;. В точке экстремума grad х = 0, т. е. все частные производные функции х 'в этой точке равны нулю. Траектория сканирования по методу градиента определяется последовательным выполнени- ем пробных движений, анализом направления grad х и сканирую- щим движением в этом направлении. Если величина х является функцией одной переменной и име- ет одно экстремальное значение, при котором dx/dy—^, то на- правление движения к экстремуму определяется знаком текущей производной dx/dy (рис. 8.7). На рис. 8.8 показано направление сканирующего движения по методу градиента в случае поиска экстремума функции, рас- пределенной на плоскости.
X Рис. 8.8. К поиску экстремума поверхности x(yi, у2) по методу градиента Несколько более просты в реализации, а в ряде случаев не менее эффективны методы наискорейшего спуска, Гаусса—Зей- деля и слепого поиска. При использовании метода наискорепшего спуска производят- ся определение значения и направления grad х в данной точке и сканирование в полученном направлении до тех пор, пока произ- водная от х по принятому направлению не станет равной нулю. Это случится в точке касания направления движения с линией х=const. В этой точке вновь определяется grad х и изменяется направление сканирования (рис. 8.9). Метод Гаусса — Зейделя связан со сканированием по прямо- угольной координате у г до момента дх/дуг — G, движением по другой координате и нахождением частного экстремума х (рис. 8.10). Заметим, что этот метод используется при уравнове- шивании мостов переменного тока. При большом числе переменных оказывается полезным метод случайного поиска. В этом случае траектория сканирования опре- деляется путем анализа случайных перемещений (шагов). Если Рис. 8.10. К поиску экстремума по- верхности x(yi, у2) по методу Гаус- са — Зейделя Рис. 8.9. К поиску экстремума по- верхности х(у\, у2) по методу наи- скорейшего спуска
при выполнении пробного шага приращение дх/дг/г<0, то проис- ходит возвращение в прежнюю точку траектории и выполняется следующее пробное движение. Аппаратурные реализации поиска экстремальных значений ве- личин, распределенных в пространстве, разработаны для относи- тельно простых случаев. Наиболее полно рассмотрены методы построения «экстрематоров» для одной величины, распределенной по участку прямой длины и по плоскости [8.4]. Следует отметить, что целесообразно во многих случаях пре- образовать в сканирующей структуре пространственно распреде- ленную величину в функцию времени и затем найти экстремаль- ное значение этой функции. Поиск и обнаружение объектов, создающих температурное по- ле (например, движущихся объектов с тепловыми двигателями), можно также производить методами пассивного и активного ска- нирования. Последнее возможно, если температурное поле объек- та находится в зоне восприятия сканирующего датчика. Если температурное поле объекта находится вне зоны восприятия дат- Рис. 8.11. Траектории пассивного сканирования на плоскости: а колебательно-колебательное движение; 2 — спиральное вращательно-колебательное двн- жение; в розеточное вращательно-колебательное движение; г — спиральное вращательно- вращательное влияние; д — розеточное вращательно-вращательное движение: соИЛ1Т, соИГ1, Л л Л и Л К И кол* — круговые частоты и амплитуды колебательного н вращательного движений
чика, то должно осуществляться пассивное сканирование про- странства, в котором может находиться объект. Траектории ска- нирования в случае отсутствия априорных данных о вероятности нахождения объекта в пространстве должны обеспечить равно- мерный «осмотр» всего пространства. Возможны различные реализации [8.3] траектории сканиро- вания на плоскости, показанные на рис. 8.11. Выбор вида траек- тории сканирования при отсутствии априорных данных определя- ется, как правило, простотой аппаратурной реализации сканирую- щего устройства. Наибольшее распространение в технике сканирующих систем имеет колебательно-колебательное движение. Наличие априорной информации о распределении вероятности нахождения объекта на площади позволяет решать задачу опти- мальной организации сканирующих движений. Некоторые сообра- жения по этому поводу имеются в [8.3]. Выше были кратко рассмотрены лишь наиболее распростра- ненные способы организации поиска экстремумов унимодальных функций без учета случайных погрешностей измерений. В то же время реально измеряемые величины могут иметь локальные экстремумы и другие особенности (наличие «оврагов», «гребней» и т. п.), влияющие на выбор того или иного способа поиска; при поиске должны учитываться мерность исследуемого пространст- ва, погрешности измерений, изменения измеряемой величины во времени и другие факторы. Нужно заметить, что теория поиска находит довольно широкое приложение в ИИС. В связи с этим при изложении материала по структурам измерительных систем, системам распознавания образов и системам технической диагностики используются ре- зультаты, полученные в теории поиска. В заключение приведем табл. 8.5, чв которой сведены основные разновидности сканирующих структур. Таблица 8.5. Основные разновидности сканирующих структур Классификационный признак Характеристики признаков Мерность измеряемых величин Характер операций из- мерения Тип сканирующего дат- чика Промежуточное преоб- разование сканируемой области Вид сканирующих дви- жений I (/) Измерение во всех точ- ках „Контактного" дейст- вия С преобразованием Пассивный 5=2 Ul> #}> {11, 171> ^2’ {11, lz> 1з, х) Измерение экстремальных значений, определение экви- потенциальных линий „Бесконтактного" действия Без преобразования Активный
Следует заметить, что собственно операции измерения в ска- нирующих структурах могут выполняться различными методами. Среди них наибольшее распространение имеет, пожалуй, метод развертывающего уравновешивания. Помимо минимального количества элементов по сравнению с другими сканирующие структуры имеют преимущество, заклю- чающееся в том, что канал измерения используется многократно. Поэтому при определенной стабильности характеристик этого ка- нала можно с повышенной точностью производить относительные измерения величины, распределенной в пространстве. Наиболее серьезный недостаток структур последовательного действия — суммирование интервалов времени последовательно выполняемых операций измерения по всем измеряемым величи- нам— при применении современных быстродействующих средств восприятия информации (телевизионные датчики, оптико-элек- тронные преобразователи и т. п.) не проявляется, и во многих случаях сканирующие структуры обладают не меньшим быстро- действием, чем структуры параллельного действия. Г л а в а 9 ИЗМЕРИТЕЛЬНО-ВЫЧИСЛИТЕЛЬНЫЕ КОМПЛЕКСЫ Измерительные информационные системы могут создаваться тремя основными способами. По первому способу применяются любые, в том числе и нуж- дающиеся в согласовании технические средства непосредственно для решения конкретной задачи. Этот способ в большинстве слу- чаев требует больших затрат времени и денежных вложений, вы- сокой квалификации специалистов. При втором способе ИИС строится опять-таки для решения конкретной, локальной задачи из выпускаемых промышленностью агрегатированных приборных устройств, для которых решены вопросы их информационной и, может быть, частично, конструк- тивной и энергетической совместимости. Объединение таких уст- ройств в систему может производиться с помощью стандартных интерфейсов. Подавляющее большинство ИИС создается именно этим способом. Степень сложности создаваемых при этом ло- кальных ИИС ограничивается в первую очередь квалификацией специалистов (проектировщиков, наладчиков и т. п.) и наличием достаточно представительного набора агрегатируемых функцио- нальных модулей и приборных устройств, включая ЭВМ. Наконец, построение систем может производиться на базе из- мерительно-вычислительных комплексов (ИВК), являющихся ана- лого-цифровым и цифровым универсальным ядром цифровых ИИС. Измерительно-вычислительные комплексы обеспечивают вы- полнение аналого-цифровых измерительных преобразований, вы-
Таблица 9.1. Измерительно-вычислительные комплексы Тип Процес- сор Стандартная периферия Интерфейс ОЗУ мд Дисплей ЦПУ широкой печати ИВК-1 СМ-ЗП 28 Келов, 1,2 мкс ИЗОТ-1370 ВТА-2000 180 КАМАК ИВК-2 СМ-4П 64 Келов, до 128 К 2ИЗОТ-1370 ВТА-2000 СМ-6315 ивк-з СМ-3 То же, что и в ИВК-1, с графопостроителем 200X300 мм КАМАК ИВК-4 СМ-4 То же, что и в ИВК-2, с графическим дис- плеем, планшетно-рулонным граф опостроите лем КАМАК ИВК-7 СМ-3 То же, что и в ИВК-З ОШ ИВК-8 СМ-3 То же, что и в ИВК-З, с графопостроителем ОШ числительных процедур, выдачу полученной информации, форми- рование командной и иной служебной информации, необходимой для функционирования ИИС. Такое универсальное ядро формируется с помощью стандарт- ного интерфейса из аналого-цифровых измерительных устройств широкого назначения (см. гл. 8) и программируемых средств вы- числительной техники (см. гл. 6) со стандартными устройствами отображения и хранения информации (см. гл. 4). Объединение перечисленных технических средств с соответствующим операци- онным программным обеспечением, нужным для их совместного функционирования, и получило название измерительно-вычисли- тельного комплекса [9.1]. Важно отметить, что для построения какой-либо конкретной ИИС необходимо дополнить ИВК датчиками, соответствующими измерительными цепями, исполнительными органами и другими
АЦП Коммута- тор ана- логовых сигналов ЦАП Другие функцио- нальные блоки Примечание 9 разрядов, 12 мкс 32 сигнала, 0,1—10 В 9 разрядов, 10 мкс 9 24-разрядных реги- стров. 16-разрядный счетчик. Генератор импульсов от 1 Гц до 1 МГц. Связь с телетайпом До четырех крей- тов, две стойки До четырех крейтов, три стой- ки 14 разрядов, 2 мкс; 9 разрядов, 12 мкс Релейный на 32 сигнала Два 10-раз- рядных, 10 мкс 9 24-разрядных регист- ров. 2 24-разрядных счет- чика. Таймер управления ШД. Цифровой ам- первольтметр Крейт Крейт ИВК-2 Крейт ИВК-3 Таймер. Калибратор Погрешность ±0,015 % Ф4221 + 10 мВ; + 100 мВ, + 10 в 3 шт. Ф799/2, 300 сигналов Ф723 Усилители Быстродействие измерительного ка- нала 830 измере- ний/с, с учетом; программног > управления—100 измерений/с ЦВЩ1516 50 мс; 0,1, 1; 10 В ±0,05%. ±0,5% Ф799/1, 103 сигналов Калибратор 106 деле- ний, на каждом диа- пазоне ±0,03% устройствами, а главное, прикладными программами, позволяю- щими решать задачи, поставленные перед создаваемой ИИС. Здесь уместно провести аналогию [9.1] ИВК с ИИС и управляю- щих вычислительных комплексов с АСУ технологическими про- цессами (см. гл. 14). Возможность типизации решения многих задач ИИТ путем ис- пользования, во-первых, электрических измерительных сигналов и типовых (агрегатированных, совместимых) средств электроизме- рительной техники и, во-вторых, программируемых средств вы- числительной техники позволило обосновать и организовать про- мышленный выпуск ИВК- Электроприборостроительная промыш- ленность Советского Союза выпускает и разрабатывает около 50 типов ИВК- Они создаются методом проектной компоновки из системно- сопрягаемых функциональных блоков и устройств, выпускаемых
промышленностью в составе агрегатных комплексов ГСП и про- дукции радиоэлектронной промышленности. Разработка, аппаратурная доводка и программное оснащение ИВК, проектируемых и создаваемых в специализированных орга- низациях, конечно, должны обеспечить высокое гарантирован- ное качество комплексов. В табл. 9.1 приведены основные данные ИВК-1—ИВК-4, ИВК-7, ИВК-8, имеющие назначение преимущественно для созда- ния ИИС, входящих в автоматизированные системы научных ис- следований и комплексных испытаний. Основные положения, признаки классификации и общие тре- бования к ИВК в целом и к их компонентам, а также требования к проведению испытаний установлены ГОСТ 26.203-81. В соответствии с этим ГОСТ ИВК представляет собой авто- матизированное средство измерений электрических величин, на основе которого возможно создание ИИС путем присоединения ко входу измерительных каналов ИВК датчиков измеряемых ве- личин с унифицированным электрическим выходным сигналом и генерации на основе программных компонентов ИВК программ обработки информации и управления экспериментом, ориентиро- ванных на решение конкретных задач. Этот ГОСТ допускает возможность модификации выпускаемых ИВК под конкретную ИИС. Конкретизация области применения ИВК предусматривается для проблемных (ориентированных на конкретную область применения) и специализированных (уни- кальных, единичных) ИВК. Типовые ИВК предназначены для решения широкого круга типовых задач автоматизации измере- ний. Выбор комплекса нормированных метрологических характе- ристик ИВК производится в соответствии с ГОСТ 8.009-72 (см. гл. 22). Основными техническими компонентами ИВК являются изме- рительные и вычислительные компоненты, меры, счетчики теку- щего 'времени и средства ввода-вывода цифровых и релейных си- гналов. Программными компонентами ИВК являются системное про- граммное обеспечение (программы ЭВМ и ИВК, обеспечивающие работу ИВК в диалоговом режиме, управление измерительными компонентами и обменом информацией между ними, проверку ра- ботоспособности ИВК) и прикладное программное обеспечение. Последнее включает типовые программы обработки измеритель- ной информации, планирования эксперимента, метрологического обслуживания ИВК. По договоренности с заказчиком разработчи- ки ИВК могут поставлять дополнительные программы. Измерительно-вычислительные комплексы, производимые се- рийно, проходят государственные контрольные испытания, на ко- торые предъявляется один экземпляр ИВК данного типа. Кон- кретное содержание испытаний устанавливается в соответствии с ГОСТ 8.001-80. Поверке подвергаются все измерительные кана- лы. Может осуществляться поэлементная поверка измерительных
каналов, если элементы имеют нормированные метрологические характеристики и имеется методика расчета характеристик кана- ла по метрологическим характеристикам компонентов. Измерительно-вычислительные комплексы ИВК-1—ИВК-6 представляют собой комбинацию базовых комплектов СМ-3 и СМ-4 (без устройств связи СМ с объектом, которые обязательны при использовании СМ-3 и СМ-4 в качестве управляющих вычис- лительных комплексов — УВК) и крейтов КАМАК, оснащенных различными функциональными модулями. Базовый комплект СМ-3 Рис. 9.1. Структурная схема ИВК-З: КК — контроллер крейта, ЦАВОМ — цифровой ампервольтомметр Структуры ИВК-1—ИВК-6 аналогичны, поэтому достаточно рассмотреть структуру одного типа ИВК. Измерительно-вычисли- тельный комплекс ИВК-З (рис. 9.1) предназначен для автомати- зации исследований, проводимых с использованием оптических спектральных устройств. В состав ИВК-З входят базовый ком- плект управляющего вычислительного комплекса СМ-3, крейт КАМАК с набором функциональных и сервисных модулей (на рис. 9.1 сервисные модули не показаны), цифровой ампервольт- омметр (5 десятичных разрядов, до 5 измерений в секунду), планшетный графопостроитель Н-306 (погрешность ±0,5%, ско- рость черчения до 75 см/с). Базовый комплект СМ-3 содержит процессор СМ-ЗП, опера- тивное запоминающее устройство (32 Келов), алфавитно-цифро- вой видеотерминал (дисплей) типа «Видеотон-340» (размер экра- на 200x140 мм, число знаков 80X16), алфавитно-цифровое печа- тающее устройство DZM-180 (180 знаков/с, 132 знака в строке), накопители на перфоленте и магнитном диске (ИЗОТ-1370; 4,8 Мбайт).
Крейт КАМАК содержит следующие функциональные модули: два двухканальных ЦАП (10 двоичных разрядов, 100 кГц), АЦП (9 и 14 двоичных разрядов, 80 и 0,5 преобразований/с), коммутатор (16 точек, до 100 переключений в секунду), два мо- дуля управления шаговыми двигателями ШД, модули входных и выходных регистров (24X2 двоичных разряда), счетчики импуль- сов. В состав сервисных модулей 'входят индикатор магистрали, ручной контроллер, регистры и генераторы слов и т. п. В системное программное обеспечение входят дисковая опера- ционная система ДОС СМ, дисковая операционная система реаль- ного времени ДОС РВ, фоново-оперативная базовая операцион- ная система реального времени ФОБОС, программный монитор КАМАК для организации операций обмена между устройствами управляющего вычислительного комплекса СМ-3 и модулями КАМАК, использующий язык ФОРТРАН-IV, тесты для проверки функциональных элементов комплекса. Измерительно-вычислительный комплекс ИВК-3 снабжен про- граммами, ориентированными на обеспечение выполнения часто встречающихся стандартных операций при спектральных иссле- дованиях: управление спектральным устройством в режимах син- хронного сканирования, усреднение спектральной информации и оценка точности измерений, оперативное управление эксперимен- том в режиме диалога, вывод спектров на дисплей, алфавитно- цифровое печатающее устройство, графопостроитель, преобразо- вание спектров. Наличие проблемно-ориентированного програм- много обеспечения ИВК-3 существенно облегчает создание про- грамм пользователя, необходимых для обеспечения работы кон- кретной системы, основанной на использовании ИВК-3. Приведенные материалы показывают, что ИВК-3 позволяет вы- полнять основные функции, необходимые для проведения автома- тизированного эксперимента в области спектральных исследова- ний. Приведем основные технические характеристики ИВК-7 и ИВК-8. В ИВК-7 и ИВК-8 используется интерфейс типа «Общая шина» СМ-3. Стандартные функциональные блоки из номенкла- туры АСЭТ объединяются в измерительную стойку и подсоеди- няются к магистрали «Общая шина» с помощью интерфейсных узлов. Эти ИВК различаются составом набора функциональных блоков. Технические характеристики ИВК-7 (рис. 9.2): 197 каналов коммутации напряжений ±100 мВ, ±10 В, ±100 В; быстродейст- вие— 100 переключений в секунду (может быть существенно увеличено); суммарная погрешность усилителя, коммутатора и АЦП оценивается в ±0,4%.. Из этих данных видно, что ИВК-7 предназначен для измерения относительно быстро протекающих процессов с относительно невысокой точностью. Измерительно-вычислительный комплекс ИВК-8 (рис. 9.3) мо- жет коммутировать 100 напряжений ±10 В, имеет погрешность
ьазобый. комплект СМ-3 Рис. 9.2. Структурная схема ИВК-7 Рис. 9.3. Структурная схема ИВК-8 измерительной цепи коммутатор — цифровой вольтметр (ЦВ) не более ±0,1%-, время измерения без фильтра 50 мс или 400 мс и 4 с с фильтром. Выходные сигналы имеют поддиапазоны 0,1; 1,0; 10 В при количестве делений 10е, основная погрешность не более ±0,03%', а время установления выходного напряжения 20—100 мс. Таким образом, ИВК-8 специализирован на выполнение высоко- точных измерений, он может быть использован и для повероч- ных- работ.
Наработка на отказ для ИВК-7составляет 0U ч, а для ИВК-8 — 300 ч. Системное программное обеспечение ИВК-7 и ИВК-8 реали- зовано на основе системного обеспечения СМ-3. В нее входит диалоговая система (ДС) СМ на языке FOCAL (отладчик, ре- дактор и др.), дополненная программами управления и обмена с измерительными блоками. Связь блоков измерительной стойки с магистралью общей шины ОШ осуществляется при помощи расши- рителя ОШ, который ретранслирует сигналы с задержкой 350 нс и позволяет разделить магистраль ОШ на независимые отрезки и увеличить длину кабеля до 15 м. Опыт создания на основе ИВК довольно разнообразных ИИС (для аэродинамического эксперимента, испытания паровых тур- бин, газотурбинных двигателей и пр.) показывает, что в ИВК можно относительно легко производить перекомпоновку и дора- ботку, используя в основном штатные технические средства. Ска- занное позволяет существенно уменьшить объем работ по созда- нию систем. Однако объем дополнительного оборудования может быть сравним с поставляемым в составе ИВК. Далее, отсутствие в составе ИВК измерительных цепей, позволяющих использовать различные датчики, затрудняет метрологическую аттестацию ИИС. Значительный объем работ при создании ИИС на основе ИВК пользователю приходится выполнять по созданию соответст- вующих программных средств. Очевидно, необходимо расширить возможность доукомплектования выпускаемых ИВК измеритель- ными устройствами. Можно сделать вывод, что ИВК-1 — ИВК-8 ориентированы на автоматизацию относительно дорогостоящих экспериментов. .Мож- но предполагать, что они могут объединять работу нескольких оснащенных микро-ЭВМ, терминальных измерительных систем, обладающих относительно небольшими автономными возможно- стями. Рассмотренные ИВК имеют стандартные структуры. Господст- вующей среди аналого-цифровых измерительных устройств явля- ется комбинация измерительных коммутаторов и АЦП. Кроме того, в ИВК входят мини-ЭВЛ4 или микро-ЭВМ со стандартными периферийными устройствами. Технические средства в ИВК объ- единяются с помощью стандартных интерфейсов (приборного, КАМАК) или интерфейса периферийной части ЭВМ. Измери- тельно-вычислительный комплекс обеспечивается операционными программами и некоторыми программами прикладного характера. Следует отметить, что в большинстве ИВК предусмотрены устройства, необходимые для организации внешних воздействий на объект исследования или для изменения режима его работы, а также сервисные аппаратура и программы. Помимо ИВК широкого назначения получили распространение специализированные ИВК, например для автоматизированных стендов, предназначенных для виброиспытаний различных двига- телей и силовых конструкций, для аэродинамических испытаний,
для испытаний и поверки радиотехнической аппаратуры и др. По существу, специализированные ИВК приближаются к своему за- вершенному виду—ИИС, рассмотрению которых посвящено даль- нейшее изложение книги. К специализированным ИВК относятся комплексы в транспор- табельном исполнении. Они используются для полевых и промыс- ловых исследований в геофизике, для охраны природы, в строи- тельстве, сельском хозяйстве и т. п. Такие системы и комплексы должны работать в режиме экспресс-анализа и иметь возмож- ность передачи данных на мощные ЭВМ для дальнейшей обра- ботки. Для исследования сложных объектов в ряде случаев целесооб- разно создавать двухступенчатые системы: на нижней ступени использовать микро-ЭВМ, а на верхней — обеспечивать их сов- местную работу, сложные виды обработки информации. Подоб- ные двухуровневые системы были разработаны и использованы для испытания сложных гидротехнических сооружений, прочност- ных испытаний и т. п. В таких системах производились сжатие данных, коррекция погрешностей, поверка метрологических ха- рактеристик измерительных каналов и т. п. Очевидно, ИВК, обес- печивающие построение двухуровневых ИИС, будут занимать заметную долю ИВК, выпускаемых промышленностью. Объединение в ИВК современных средств измерительной и вычислительной техники, стандартных интерфейсов дает возмож- ность изменять по мере надобности их состав, применять алго- ритмы, позволяющие достигать сложных целей измерения, произ- водить коррекцию результата измерения, выполнять поверочные операции и т. п. Необходимо отметить, что создание измерительно-вычисли- тельных средств, особенно с использованием микропроцессорной техники, — одно из основных направлений развития ИИТ. В этом свете цифровые измерительные устройства, многоканальная ре- гистрирующая аппаратура и другие измерительные устройства, содержащие микропроцессорную технику, обладают повышенны- ми интеллектуальными способностями, приближающими их к ИВК- Можно предполагать, что ИВК будут в дальнейшем сущест- венно развиваться, что позволит создавать более совершенные ИИС при ограниченных затратах времени и средств.
часть четвертая СТРУКТУРЫ и АЛГОРИТМЫ ИИС Рассмотрим структуры и алгоритмы основных видов информа- ционных измерительных систем — измерительных, контрольных, диагностических и распознающих систем, а также телеизмери- тельных систем, включающих специальные каналы связи большой протяженности. Главное, наиболее существенное различие между этими систе- мами определяется целями выполняемых ими процессов получения информации и отражается в первую очередь в алгоритмах их ра- боты. Системы могут основываться на использовании специализи- рованных или универсальных многофункциональных технических средств. Построение систем с применением, например, таких универ- сальных системных средств, как средства микропроцессорной техники и информационно-вычислительный комплекс, позволяет реализовать на них различные алгоритмы. Однако специализированные структуры информационных изме- рительных систем также широко распространены ввиду наличия у них таких положительных качеств, как приспособленность к ре- шению конкретной задачи, резкое упрощение программного обес- печения системы, возможность достижения более высокого быст- родействия, зачастую более простая эксплуатация. Заметим, что специализированные структуры реализуются с помощью аппаратных средств с жестким соединением функцио- нальных блоков или средств, каждое из которых способно функ- ционировать по фиксированным программам. Анализ развития информационно измерительной техники вооб- ще и ИИС в частности, вычислительной техники, микроэлектрони- ки позволяет утверждать, что в дальнейшем помимо специализи- рованных и универсальных структур будут все больший вес при- обретать такие структуры, в которых разумно объединяются спе- циализированные и универсальные средства. В этой части книги обращается особое внимание на основные алгоритмы работы систем, показываются необходимые для реали- зации этих алгоритмов принципы построения специализирован- ных структур и возможности использования универсальных структур.
. Измерительные системы Глава 10 СИСТЕМЫ ИЗМЕРЕНИЯ НЕЗАВИСИМЫХ ВХОДНЫХ ВЕЛИЧИН 10.1. ОСНОВНЫЕ РАЗНОВИДНОСТИ СИСТЕМ ИЗМЕРЕНИЯ НЕЗАВИСИМЫХ ВХОДНЫХ ВЕЛИЧИН Входными для ИИС являются величины, воспринимаемые дат- чиками или другими входными устройствами системы. Ниже рас- сматриваются измерительные системы, у которых целью измерения (измеряемыми величинами) являются именно входные величины. Большинство входных величин (масса, геометрические размеры или перемещения объекта, его температура, сила, на него дейст- вующая, и т. п.) имеют невысокую размерность, подчиняются за- конам аддитивности, порядка и эквивалентности. Как правило, для них имеются образцовые меры той же физической природы. Задача таких ИС заключается в выполнении аналого-цифровых преобразований множества величин X : I (Хо) I (Xo/Z) I (Z) и в выдаче полченных результатов измерений I (R:Z) 11 (W:Z) 11 (S:Z). Этот алгоритм осуществляется в большинстве случаев аналого-циф- ровой частью ИИС, принципы действия которой описаны в гл. 8, и присоединенными к ней устройствами отображения, регистрации и хранения измерительной информации. Конечно, проведенный алго- ритм может усложняться в зависимости от задач, стоящих перед ИС. Наиболее часто в алгоритм вводятся аналоговые преобразова- ния входных величин с целью их аналоговой регистрации I(X0) I(X0/Xi) I(W :Х]) с возможным последующим аналого-циф- ровым преобразованием и обработка аналоговых или цифровых сиг- налов в целях, например, фильтрации, накопления, введения тесто- вых и образцовых сигналов на вход ИС. В рассматриваемых ИС основные типы измеряемых входных величин (см. гл. 2) могут быть сведены или к множеству изменя- ющихся во времени величин {xr-(Z) ,}1г==1э 2.п, или к изменяющейся во времени t и распределенной по пространству S непрерывной функции x(t, S). При измерении непрерывная функция x(t, S) представляется МНОЖеСТВОМ ДИСКреТ {x(ti, Sj)}i=l,2, . . . ,п; J=l,2, з. Для иллюстрации основных принципов построения таких систем достаточно ограничиться изучением структур и алгоритмов ИС, производящих измерения дискрет функции x(t, S) и основанных на использовании многоточечных, мультиплицированных и скани- рующих структур системных аналого-цифровых измерительных каналов (многоканальные структуры ввиду их системотехнической простоты здесь можно не рассматривать). Отметимз что в таких ИС программируемые вычислительные средства используются для выполнения операций обработки ре-
зультатов аналого-цифровых преобразований, главным образом, в целях улучшения точностных характеристик результатов изме- рения, а также для управления работой системы. Арсенал систем для измерения входных величин велик, и тем не менее продолжается создание новых систем. Конечно, это от- части объясняется различиями в требованиях, предъявляемых к ИС в зависимости от условий измерительного эксперимента, в котором они должны работать. Но в первую очередь это объяс- няется большим разнообразием величин, подлежащих измерению. Рис. 10.1. Основные параметры датчиков: 1 — датчики сопротивления — параметрические (1-1 — реостатные; 1-2 — тензорезисторы; 1-3— индуктивные; 1-4 — индукционные; 1-5 — терморезисторы; 16 — магнитоупрз гие; 1-7— емкостные); 2 — термоэлектрические датчики; 3 — фотоэлектрические датчики; 4— счетчи- ки элементарных частиц; 5 — электрохимические датчики; 6— датчики, основанные на эффекте Холла; 7 — пьезоэлектрические датчики Если даже ограничиться обзором только динамического и частот- ного диапазонов, а также диапазона выходных сопротивлений электрических датчиков, предназначенных для восприятия одной величины, то окажется, что эти диапазоны очень широки. На рис. 10.1 представлены ориентировочные области выходных сигналов (напряжений), выходных сопротивлений и инерционности сущест- вующих датчиков. По уровню выходного напряжения датчики можно условно подразделить на такие группы: с весьма низким уровнем сигнала (менее 5-Ю-5 В); с низким уровнем сигнала (от 5-10-5 до 10~3 В); со средним уровнем сигнала (от 10-3 до 1 В); с высоким уровнем сигнала (более 1 В). Наиболее распространены датчики со средним уровнем сигнала
(около 60% всех типов датчиков). Датчики, имеющие низкий и высокий уровни сигнала, распространены примерно одинаково (по 15% типов). Динамический диапазон выходных сигналов у большинства датчиков не превышает 100 дБ. Частотный диапазон большинства датчиков лежит в диапазоне от 10 до 104 Гц. В отношении погрешностей датчиков следует от- метить, что большинство датчиков имеют погрешности преобразо- вания примерно от 0,1 до 0,5%. Нужно отметить, что наиболее распространенные параметры сигналов определяют и наибольшее количество ИС, работающих в этих диапазонах параметров. Кроме одиночных датчиков в ИС эффективно применяются си- стемные датчики, воспринимающие поле величин (телевизионные, голографические и др.). Большие перспективы имеют удобно комплектуемые с инте- гральной микроэлектроникой малогабаритные полупроводниковые чувствительные элементы с частотным выходным сигналом — сен- соры. Группа сенсоров может быть объединена с элементами ми- кроэлектроники (включая и микропроцессор) в одной интегральной микросхеме. Естественно, что отличающиеся друг от друга датчики требуют разного подхода к построению измерительных схем соот- ветствующих систем. Из огромного разнообразия измеряемых величин по их физиче- ской природе для рассмотрения здесь разумно выбрать величины и воспринимающие их датчики, наиболее часто встречающиеся, но в то же время различающиеся по основным характеристикам. Следует подчеркнуть, что материал по системам базируется на содержании предыдущих частей книги. Читатели должны и могут самостоятельно дополнять этот материал, развивая его в нужном направлении. 10.2. МНОГОТОЧЕЧНЫЕ ИС С РЕЗИСТИВНЫМИ ДАТЧИКАМИ Если распределенная в пространстве величина воспринимается множеством датчиков, размещенных в определенных заранее точ- ках, то в ИС (см. гл. 7) возможно применить аналого-цифровые устройства с параллельной, параллельно-последовательной или мультиплицированной структурами. Такие ИС во многих случаях представляют объединение датчиков с аналоговыми измерительны- ми цепями, системными аналого-цифровыми устройствами и устройствами выдачи информации; увеличивается количество ИС, включающих средства микропроцессорной техники. Поскольку структуры и алгоритмы многоточечных ИС довольно однотипны, ограничимся рассмотрением выпускаемых промышлен- ностью ИС параллельно-последовательного действия типов К-732 и К-742. Измерительная система К-732 [7.11] предназначена для изме- рения с помощью тензорезисторов местных деформаций, возникаю-
Рис. 10.2. Структурная схема ИВК К-732/6 щих в исследуемой конструкции при приложении внешних нагру- зок (рис. 10.2). Структура системных аналого-цифровых устройств — автоматических цифровых мостов — параллельно- последовательная (многоточечная). В целях уменьшения влияния поперечных помех мостовая цепь питается двуполярными импульсами, а результат измерения фор- мируется в блоке УВИ как среднее арифметическое результатов, полученных при разных полярностях. Цикл, включающий 2540 измерений, длится 1,3 с. Групповой цифровой коммутатор Ф-7019 имеет циклический (непрерывный и однократный) режим работы. Выдаются следующие сигналы: От- счет Zt (И разрядов), значение Р нагрузки или цикла (9 разря- дов), номер опрашиваемого канала п (7 разрядов) и номер N моста (5 разрядов). Регистрация информации в К-732 производится через устройст- во управления Ф-7020 на одно из устройств: электронный фоторе-
гистратор с экрана ЭЛТ типа Н-708 (до 500 строк/с), ПЛ-150 и ЭУМ.-23. На цифровой индикатор информация выдается только по выбранному адресу. В ИВК К-742 (рис. 10.3), предназначенном для автоматизации сбора и обработки результатов измерений в процессе испытаний элементов и конструкций на статическую прочность и выносли- вость, предусматриваются коммутация и преобразование прира- щений сопротивлений тензорезисторов (50, 100, 120, 200 Ом), тер- морезисторов (10, 46, 53 Ом) типов ТСП и ТОМ. в унифицирован- ное напряжение 0—1,0 В, коммутация и унификация сигналов тер- мопар (ХА, ХК, ВР5/20, ПРЗО/6), коммутация датчиков трещин и унифицированных напряжений. Длина соединительных проводов— до 150 м. ИВК К-742 выполняет около 2500 измерений в секунду. Шкала АЦП содержит 13 разрядов-f-l знак, наиболее «чувствительный» диапазон ±32,0 мВ. Устройство коммутации К-742 содержит семь коммутаторов по 128 точек (896 точек измерения). Коммутация выполняется с помощью МОП-микросхемы (шесть коммутацион- ных элементов). Возможно подключение нескольких измеритель- ных модулей К-742 к СМ-4 непосредственно. В ИВК входят также микро-ЭВМ «Электроника-60» с ОЗУ 28 К 16-разрядных слов, на- копитель на гибких магнитных дисках ГМД-70 емкостью' 512 Кбайт, широкое термопечатающее устройство ТПУП1 (160 символов/с), алфавитно-цифровой дисплей РИН-609; все эти устройства объединены в универсальную терминальную станцию АРЗНИ. Разработано программное обеспечение метрологической аттес- тации контроля и диагностики ИВК, типовых операций сбора и обработки информации. Итак, К-742 является по сути ИВК с АЦЧ, выполненной по параллельно-последовательному принципу действия и содержащей бесконтактные коммутаторы напряжения, преобразователь на- пряжения в код и универсальную терминальную станцию АРЗНИ. Возможно подключение аналого-цифровых частей К-732 или К-742 целиком к интерфейсу «Общая шина» СМ-4. Заметим, что алгоритмы работы аналого-цифровых устройств; с коммутаторами были рассмотрены в гл. 7. Кроме того, структура и алгоритмы измерительной части систем автоматического контро- ля, управляющих вычислительных машин и комплексов основаны также на параллельно-последовательном принципе действия и рассмотрены в гл. 14. 10.3. МУЛЬТИПЛИЦИРОВАННАЯ ИС С ТЕРМОПАРАМИ Ограничимся рассмотрением ИС, основанной на использовании мультиплицированной структуры и предназначенной для измере- ния температур с помощью термопар (рис. 10.4). Измерительная система обладает высоким быстродействием и имеет блочную компоновку.
Рис. 10.4. Структурная схема мультиплицированной термоизмерительной системы В качестве датчиков используются термопары ХК и ХА, изго- товленные из тонких (несколько десятков микрометров) проволок ХК и ХА и имеющие малую (порядка десятков миллисекунд) по- стоянную времени. Для уменьшения продольных помех и усиле- ния сигналов термопар в ИС используются усилители МАА-725 с дифференциальным входом. На выходе устройств сравнения на микросхеме 554САЗА после оптронов 249ЛП1Б применены тригге- ры со счетным входом. Система собирается из 16 блоков по 8 ка- налов (128 каналов). Упрощенная СЛСА этой ИС в режиме измерений может быть представлена в следующем виде: восприятие и усиление (£ = 50) сигналов термопар {[(Ip'): = lieJU^-ke,)] ||... || (Н")||... ||<1<’>)11Х; формирование сигнала, компенсирующего влияние температуры окружающей среды, X 11[1(Т0//?0) 1(^о/Ц)]}Х; формирование компенсирующего напряжения UK Х[ЦФ(/:-/+1) 1(ПК=/ДС7-Ц)]Х; 1 сравнение XUm — MCR:^, С7К)] ||... ||<1<2>>||... X X- IKI/Bax; запрос на обслуживание Хсо[(Ц|Д2| ... |С7г| ... Р128)=/АС/к]Х X{[<Р 1,1 (R) |... 1 <P8,1 (R)] II- • -II [Ф1.16(R) I...I<Р8,16 (R)}.
Далее схема приоритета опрашивает и определяет номера сра- ботавших триггеров на данной ступени компенсирующего напря- жения jAC7K, и производится запись этих номеров и гк, в RAM1. Возможна запись кода zKj по восьми адресам одновременно. Затем процедуры измерения продолжаются. По окончании процесса из- мерения происходит перезапись данных в RAM2 и начинается но- вый цикл, во время которого информация из RAM2 вводится в па- мять ЭВМ. СЛСА описанных процедур будет иметь вид: определение и запись адреса и отсчета X (R) L фо = = k + 1: i = const) Ad0 (k) {[SbAd (1) ||... || SbAd (8)] X 2 X{[<o(R.,K) I(Si:D£, 1; zy)]||...{[«>(R,K)I(S.:D^ 8; ?,.)]} X 2 2 X®(^=16) -|«>(/ = 1024)1 X; (здесь для краткости использовано обозначение co(R) вместо [<P (R) ]); перепись информации XI(Si:/7S2:/*) /(S2:Z*/S3bm:/*) Ф(Е). В режиме измерения ИС позволяет производить 105 измере- ний/с с погрешностью не более ±0,2%.. В системе достигается ослабление продольных помех примерно на 70 дБ и поперечных на 40 дБ. Отметим, что при применении мультиплицированных структур может быть достигнуто еще более высокое быстродей- ствие. Помимо режима измерения ИС имеет режимы, позволяющие выполнять обработку информации в процессе ее получения. К таким режимам относятся: нахождение и измерение минимального значения, когда при увеличении компенсирующего образцового напряжения отмечают- ся и регистрируются номер канала и значение минимума при пер- вом же запросе на обслуживание: L ф (/: = /+ 1) IKIUK = <» [(С7. | С721... | t/I2s) = 1 = П HS-z,, DZ)...; нахождение и измерение максимального значения; измерение величин, уровни которых находятся в заданной зоне, образцовая величина при этом изменяется только в заданной зоне; (сюда же относится определение изопараметрических линий); выявление ближайшей к заданному значению измеряемой вели- чины путем нахождения максимального или минимального значе- ний относительно заданного. В ИС предусмотрена работа с микро-ЭВМ «Электроника-60» и ДЗ-28, а также сопряжение с приборным интерфейсом. Програм- мное обеспечение предусматривает получение с помощью микро-
ЭВМ статистических характеристик и выполнение метрологических поверок ИС. Конструктивно ИС выполнена в двух блоках. Модульная кон- струкция позволяет делать мультиплицированные ИС на различ- ное количество измеряемых величин. 10.4. СКАНИРУЮЩИЕ СИСТЕМЫ ДЛЯ РАСШИФРОВКИ ГРАФИКОВ Огромное количество графических (аналоговых) зависимостей получается и документируется с помощью разнообразной автома- тической регистрирующей аппаратуры. В медицине, геофизике, ме- теорологии, при промышленных испытаниях, вообще во многих от- раслях народного хозяйства и в научных исследованиях затрачи- вается большое время на расшифровку аналоговых графических изображений, т. е. на измерение параметров графиков и выдачу результатов измерения в цифровом виде. Для повышения производительности труда при расшифровке графиков разработаны как специализированные, так и серийно выпускаемые промышленностью полуавтоматические расшйфро- вочные устройства. В полуавтоматических устройствах основную операцию распо- знавания кривой на общем поле записи выполняет человек-опера- тор. Имеются расшифровочные системы, предназначенные для рас- шифровки определенных видов записи [8.3, 10.1], работающие автоматически с высокой производительностью при минимальном участии оператора. Рис. 10.5. Графическая запись функций: a — jc(f); б — х(д) Графическая запись измеряемых величин на плоскости может быть в виде функций одного аргумента [в большинстве случаев — в виде функций времени x;=x('t)] и функций двух аргументов — z=(p(x, у) (рис. 10.5). При записи нескольких измеряемых величин на одном документе они могут не пересекаться (рис. 10.6,а) и пе- ресекаться (рис. 10.6,6). Графическая запись характеризуется преимущественно ярко- стью и цветовым тоном. Обычно яркость кривой сама по себе не является информативным признаком. Уровень ее должен быть до- статочным для того, чтобы положение кривой различалось с по- мощью воспринимающего элемента на уровне шумов, образован- ных окружающим запись фоном. Цветовой тон записи определяет спектральные характеристики воспринимающего элемента. Иногда используется маркировка многоканальных записей с помощью их
различного цветового тона. Минимальная толщина кривой, кото- рая может быть обнаружена, определяется разрешающей способ- ностью воспринимающего элемента. При автоматической расшифровке применяются четкие изо- бражения на бумаге, имеющей коэффициент отражения боль- ше 0,5. При расшифровке графиков широко используется изменение скоростей записи и расшифровки: расшифровка обычно произво- дится со скоростями, обеспечивающими наилучшую производи- тельность и точность при использовании данной ИС. Рис. 10.6. Основные виды графических записей: а — непересекающиеся графики; б — пересекающиеся графики Обычно графики расшифровываются, исходя из требований восстановления непрерывной кривой. Скорость движения ленты ограничивается обычно требованием неизменности ординаты кри- вой в течение расшифровки. В подавляющем большинстве ИС для расшифровки графиков используется равномерное квантование по аргументу. Ордината графических изображений может измеряться всеми известными методами уравновешивания и совпадения. Однако наибольшее применение имеет развертывающее уравновешивание с преобразованием ординат графика в пропорциональные им ин- тервалы времени и последующим измерением полученных интер- валов. Кривая на непрозрачных носителях выделяется путем восприя- тия отраженного света, на прозрачных носителях — проходящего света. Сканирование может выполняться непосредственно воспри- нимающим элементом или сканирующим лучом при неподвижном воспринимающем элементе. В качестве воспринимающих элементов используются фотоприемники (фотоэлектронные умножители, фо- тосопротивления, фотодиоды и фототранзисторы) с соответствую- щими оптическими устройствами, обеспечивающими согласование свойств фотоприемников и изображений. Источники света — лам- почки накаливания, электронно-лучевые трубки и т. п. Сканирующие движения обеспечиваются с помощью оптико- механических (рис. 10.7) или электронных (рис. 10.8) разверты- вающих устройств. Перемещающийся в направлении измеряемой
Рис. 10.7. Оптико-механические развертывающие устройства: а — с перемещающимся фотодатчиком ФД-, б —с качающимся зеркалом КЗ и неподвиж- ным фото датчиком; в — с перемещающимся зеркалом магнитоэлектрического вибратора МЭВ и неподвижным фотодатчиком; Гр — график Рис. 10.8. Электронное развертывающее уст- ройство: Гр — график; Л — линза; ФД1 — фотодатчик, вос- принимающий отражен- ный свет; ФДг — фотодат- чик, воспринимающий про- ходящий свет ординаты фотоприемник показан на рис. 10.7,а, развертывание лу- ча с помощью качающихся зеркал — на рис. 10.7,6, в. При при- менении перемещающегося луча возникают погрешности расшиф- ровки, связанные с изменяющимся отношением угла поворота зеркала к перемещению луча по поверхности графика. Для умень- шения этой погрешности либо делается неравномерным движение качающегося зеркала, либо изменяется при расшифровке форма носителя, на которой записано графическое изображение. На рис. 10.9 графическое изображение преобразуется в фото- проводящем слое (трехсернистая сурьма, окись свинца и др.) види- кона в потенциальный рельеф, который при последующем режиме коммутации преобразуется в токовый сигнал, определяемый изме- нением потенциала фотопроводящего слоя в освещенных точках. Выпускаемые промышленностью видиконы имеют размеры фо- топроводящего слоя 9,5X12,5 мм, 18X18 мм с разрешающей спо- собностью до 800 линий (50—60 линий на 1 мм) с длиной волны 0,45 до 0,6 мкм [10.1].
В настоящее время разработано и используется довольно боль- шое количество разнообразных сканирующих ИС, предназначен- ных для расшифровки непересекающихся, пересекающихся цвет- ных и одноцветных графических изображений (функций времени). Рис. 10.9. Применение видикона для восприятия графической за- писи: Гр — график; В — видикон; Л — линза Рис. 10.10. Структурные схемы расшифровки графиков Структурные схемы ИС расшифровки одной кривой с оптико- механическим сканирующим устройством (рис. 10.10) включают лентопротяжный механизм ЛПМ, обеспечивающий непрерывное или шаговое перемещение ленты, сканирующие устройства СкУ, фотодатчики, воспринимающие начало Н, конец Д рабочего диа- пазона графика, и фотодатчики О, отмечающие момент пересече- ния сканирующего луча и кривой, а также генераторы пилообраз- ных кривых G/, импульсов GN, ключи k\ и /г2 и счетчики импуль- сов. На рис. 10.10 показаны три типичные структурные схемы. На схеме, содержащей генератор G/, луч перемещается поперек ленты с постоянной скоростью. При этом перемещении выделяется /-я ордината кривой: Ф(В) [_Ф(/: = / + 1) 1[х(0/^(У]Х 1 С помощью фотоприемников Н и О, триггера Т и ключа kit от- крытого в течение ДД, происходит суммирование импульсов от GN
и формирование z3-: X W/W/l Цг,.) <0(/ = ДГ)ПФ(Е). В этой схеме суммарная погрешность 6 расшифровки зависит от погрешности нелинейности G/, преобразований I[x(/,)/AZj) X XI(A^/z3). На схеме с входным сигналом z/1) удается уменьшить суммар- ную погрешность благодаря тому, что перемещение сканирующего луча определяется кодом Z; и не связано со временным преобразо- ванием: L Ф(/: = /+1) L Ф(к=«+ 1) 2 1 Хт[х(1.}=1..} -| 1{z.t D.)(fi(/ = yV)-| ф(Е). Схема, содержащая генератор G/ и шкалу линейной меры М, вы- полнена так, что отсутствует погрешность из-за нелинейности пре- образования I (zzj/Zfj). Это достигается тем, что при сканировании луч раздваивается и- один из лучей перемещается по шкале линей- ной меры М, вызывая генерирование импульсов {е}, суммируемых счетчиком 2: Ф (/: = /+ 1) {I II1 = I(2/’-D/) »(/ =W) I’ Обычно значения z3- и номер ординаты либо вводятся в устрой- ства памяти, либо регистрируются на перфоленте или печатающем устройстве. Основные характеристики оптико-механических устройств: ко- личество кривых — до 30, скорость расшифровки — до 2400 орди- нат/с, погрешность абсолютная—до ±0,1 мм, относительная—от ±0,1 % ДО ±2%, крутизна кривой — до 87°, шаг квантования — от 0,25 до 4 мм. Остановимся на электронной ИС расшифровки графиков типа «Силуэт». В ней используется видикон типа ЛИ-23 (спектр вос- принимаемых волн — от 0,45 до 0,65 мкм, окно 9,5X12,5 мм, раз- решающая способность — 50 линий на 1 мм); выдача информации производится на перфоратор ПЛ-80. Генератор линейно возраста- ющего напряжения работает с частотой 300 Гц. Графики представ- ляются на бумажной ленте шириной 200—300 мм или на кино- ленте 35 мм, линия на бумажной ленте не уже 0,5 мм, интервал дискретизации между отсчетами — 4 или 12 мм. Выполняется счи- тывание одной из двух или трех непересекающихся кривых. СЛСА работы «Силуэта» в упрощенном виде: перенос строки графика на видикон [_ Ф(/: = /+!) Цх(1)/х(1,)]Х-, преобразование х(/3) в z, X I(u/Zz) с« [Z; = v(Zz)] I(Z//z/) 1 (W:’у) Ф(Е).
Значительно усложняются структуры и алгоритмы ИС при рас- шифровке пересекающихся одноцветных графиков. Пересекающие- ся графики применяют из-за стремления уменьшить погрешность одновременной регистрации нескольких величин путем использо- вания для записи всей ширины носителя. Графики могут иметь об- щие точки при пересечении П или касании К (рис. 10.11). Если Рис. 10.11. Пересечение й ка- сание участков кривых кривые не имеют особых отметок (цвет, толщина линий и т. п.), то для расшифровки таких записей в ИС должны приниматься специальные меры. Способы распознавания пересекающихся одно цветных кривых сводятся к схемно-логическим и алгоритмическим [10.1, 10.2] способам. Схемно-логические способы распознавания применяются обычно при небольшом количестве кривых. Рис. 10.12. К определению «опасной» близости кривых: я—по разности ординат кривых; б — по интервалам времени между пересечениями кривых Включение устройств или программ распознавания кривых, как правило, производится с помощью специального блока, определя- ющего «опасную» близость кривых. В этом блоке сравнивается разность ординат hi с заранее установленной мерой близости в (рис. 10.12,п); при наклонном движении сканирующего луча срав- нивается приращение М/ с заданной величиной А (рис. 10.12,6). Наиболее простой способ распознавания кривых на «опасных» участках связан с определением знака производных кривых или разностей значений их ординат (рис. 10.13). В точках пересечения кривых (рис. 10.13,а) разность значений ординат равна нулю, a |i6(A/)| отличны от нуля и могут быть больше заданного уровня еь В точке касания (рис. 10.13,6) |AZ| и вторые разности |б(А/)| близки к нулю. Эти признаки могут быть использованы при по- строении схемных решений. Однако при числе пересекающихся кривых более двух схемные решения различения ординат кривых становятся громоздкими.
и x*k+2 будут иметь следующий Количество ис- пользуемых ор- динат 1 2 3 4 X k+1 ис. 10.13. Вид кривых первых и вто- рых разностей их ординат: а — ПРН пересечении; б — при касании Тогда используется экстраполя- ция кривых с помощью аппрок- симирующих многочленов или статистическая экстраполяция и оценивается степень близости реализованных ординат кривых к предсказанным значениям. Из аппроксимирующих мно- гочленов часто используется многочлен Ньютона относитель- но невысокой (3—5) степени. Для второй интерполяционной формулы Ньютона при равномер- ном квантовании и предсказании на один и на два интервала впе- ред предсказанные значения х*д-н ц [10.2]: X*k+i 2xfe—Xk—t i+xfe_2 *k 3Xft —| r4- 3%k _2 1 OXk—20xfe_14-15x/;_ 2—4x'/;_3 СЛСА для расшифровки двух кривых: Х1(С₽:г^ zkv zft2, г;2){(В[[2м-г;2|<|гА1-г;1|]||Х 1 XIIю [| 2*2 2^2|<^|zft2 2fel|} [~ I(z^1/3ft2, 2^2/Z*,) J 2^2). Увеличение количества используемых при предсказании отсче- тов более трех-четырех может не привести к повышению точности прогнозирования из-за влияния погрешностей составляющих. Естественно для выполнения прогнозирования и решения во- проса об отнесении реализованных отсчетов к определенным кри- вым использовать микропроцессорную технику. 10.5. АКУСТИЧЕСКАЯ СИСТЕМА ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ КООРДИНАТ ГРАФИЧЕСКИХ ИЗОБРАЖЕНИИ Измерение и выдача в цифровом виде координат сложных гра- фических изображений на фотоносителях, чертежах и других документах применяются при автоматизации проектирования, в
геологии и картографии, океанологии и т. п. Часто такие измере- ния производятся полуавтоматически с участием оператора, ука- зывающего точки изображения, координаты которых необходимо измерить. Для измерения координат в таких полуавтоматических устройствах используются датчики, позволяющие координаты за- данной точки преобразовать (в информационном смысле) в изме- нение электрических параметров, отобразить на матричных сеточ- ных моделях или преобразовать в интервалы времени прохождения световых или акустических им- пульсов между точками, опре- деляющими измеряемые коорди- наты. Ограничимся далее знаком' ством с полуавтоматической аку- стической системой для измере- Рис. 10.14. Размещение источника И и приемников I7t—П3 ния координат точек на плоско- сти (на планшете) [10.3]. Излучатель ультразвука И — миниатюрный пьезокерамический цилиндр — совмещается опера- тором с точкой изображения, координаты которой измеряются (рис. 10.14). Три приемника ультразвука ГЦ—П3 расположены на одной прямой на известных с высокой точностью расстояниях L/2. Использование трех приемников ультразвука позволяет измерять не только координаты х, у, но и скорость звука в среде. Приведем расчетные формулы для определения координат из- лучателя. Значение k — поправки на отклонение скорости звука от принятой при расчете — определяется из известного соотноше- ния, заключающегося в том, что сумма квадратов сторон паралле- лограмма равна сумме квадратов его диагоналей, т. е. по резуль- татам измерений 1\ — /3 и параметру системы L: £2[2/,2 + 2/22 - 4/ 32] - £2 = 0; k = L [№1* Д-ЧЦ— М*. Поправка на реальную скорость звука позволяет уточнить резуль- таты измерений: 1т—kli, /02—kl2, 1оз=/г1з. Если |1—k |^0,02, то данное измерение должно быть отброшено как ошибочное, так как такого изменения скорости звука в воздухе в лабораторных условиях не может быть. Координаты центра излучения сигнала определяются по фор- мулам х = (& _ /^)/2£ + £/2; у = VI* - х\ Источник И излучает пакеты импульсов, в которых импульсы следуют с частотой jfj, а затем с f2. Отсчет интервалов времени прохождения акустических сигналов от точки излучения до точек приема производится именно с момента изменения частоты. Интер-
вал времени между пакетами импульсов превышает время про- хождения акустических сигналов планшета по диагонали. На рис. 10.15 показана структурная схема канала измерения расстояния 1Г акустического измерителя координат. Она работает как Цифровая следящая система с двойным интегрированием по времени разности между интервалом времени, соответствующим величине li и определяемым по сигналу акустического приемника, и интервалом времени, пропорциональным сумме сформированных на выходе канала кода z(/j) и скорости изменения этого кода Рис. 10.15. Структурная схема одного канала акустического измерителя координат z(l'i). Алгоритм двойного интегрирования сигналов рассогласова- ния в сочетании с прерывистым режимом работы излучателя обеспечивает: а) повышение точности устройства, так как фронт импульса, по которому определяется конец измерительного интервала време- ни, находится близко к началу пакета импульсов, т. е. наименее искажен отраженными сигналами; б) устойчивость устройства против акустических шумов, так как скорость 1\ корректируется на ±1 квант 1 раз за период из- лучения пакета импульсов; в) работу схемы в следящем режиме без динамических ошибок при средней скорости перемещения визира до 1 м/с. С помощью микро-ЭВМ «Электроника-60» вводятся поправки на скорость звука, производится вычисление х и у и устраняются неверные результаты. Наличие ЭВМ позволяет одновременно со считыванием коор- динат производить дальнейшую обработку графической информа- ции по заданной программе.
Акустическим измеритель координат позволяет считывать ин- формацию на поле размерами 1000X1000 мм с погрешностью примерно ±0,1 мм и обеспечивает достаточную для надежной ра- боты защиту от помех и ошибочных действий оператора. Акустическое устройство в трехмерном исполнении может быть использовано в робототехнике, медицине и в других областях нау- ки и техники. 10.6. О ГОЛОГРАФИЧЕСКИХ ИЗМЕРИТЕЛЬНЫХ СИСТЕМАХ Когерентные источники света (лазеры), когерентная оптика и оптоэлектронные преобразователи образуют основу датчиков клас- са лазерных измерительных систем (ЛИС) [10.4]. Различные методы использования лазерных системных датчи- ков позволяют создавать ЛИС для целей локализации, гироско- пии, измерения как линейных, так и угловых перемещений, скорос- тей, ускорений и т. п. Практически во всех названных областях с помощью ЛИС были получены возможности производить измере- ния с высокой чувствительностью, в некоторых случаях—с повы- шенной точностью. Среди методов, используемых в ЛИС, особого внимания заслуживают методы голографической интерферометрии [10.4, 10.5]. Эти методы сочетают в себе такие достоинства, как бесконтактное и одновременное получение информации о состоя- нии всех точек наблюдаемой поверхности, использование в про- цессе измерения естественной меры—длины световой волны, из- вес1ной с метрологической точностью, высокое пространственное разрешение, определяемое разрешением оптических систем и в пределе соизмеримое с длиной волны, и др. Лазерные измеритель- ные системы, основанные на использовании методов оптической голографии, называются голографическими измерительными си- стемами (ГИС). При создании ГИС, реализующих методы голографической ин- терферометрии, возникает ряд проблем как методического, так и аппаратурного характера. К первым из них относятся выявление закономерностей, связывающих свойства интерферограмм с иссле- дуемыми физическими явлениями, разработка новых методов определения исследуемых характеристик, создание простых и на- дежных методов обработки и расшифровки голографических интер- ферограмм, совершенствование методик их получения и разработ- ка необходимого математического обеспечения. Существенной так- же является задача исследования метрологических характеристик как отдельных звеньев, так и ГИС в целом. К проблемам аппара- турного характера относятся проектирование специальных источ- ников когерентного излучения, голографических установок, обеспе- чивающих реализацию всех методов регистрации и восстановления голограмм, разработка устройств ввода изображений в ЭВМ, спо- собных передать информацию с требуемой точностью, и т. п. Для решения широкого класса задач экспериментальной меха- ники была создана ГИС [10.5]. Она содержит (рис. 10.16) стаби-
.лизированный по мощности и частоте ионный газовый лазер Л, оптическую часть, содержащую универсальный голографический .интерферометр, предназначенный для одновременного получения четырех голограмм исследуемого объекта с разных направлений и получения топографических интерферограмм объекта, а также оп- тическую установку для восстановления интерферограмм, скани- рующее электронное устройство быстрого ввода на диссекторе .ЛИ-605, имеющем однострочную развертку и до 300 различимых .линий на экран, позволяющее исследовать оптические изображе- ния размером 18X24 мм с дискретностью 256X256 точек, устрой- ство расшифровки голографического изображения размером 60X60 мм с большим числом элементов разложения (свыше 104) •с электромеханическим сканированием фотоэлектронным умножи- телем (на рисунке не показано), ЭВМ типа СМ-4 с накопителями :на магнитных дисках МД, устройство представления Д и фоторе- гистрации полутоновой и графической информации. Программное обеспечение создано на языках ФОРТРАН, ФОКАЛ, БЕЙСИК- На этой ГИС эффективно решаются задачи регистрации голо- грамм, голографических интерферограмм, их восстановления, об- работки и расшифровки содержащейся в них информации. Это по- .зволяет получать информацию о частотах и формах колебаний из- делий при их частотных испытаниях, о дефектах изготовления конструкций, о форме поверхности сложных тел, о векторах сме- щений точек поверхности объекта, поверхностных деформациях, .параметрах макро- и микрорельефа поверхности и т. п. Из перечисленного остановимся на измерении формы сложной поверхности и перемещений объектов. Для измерения формы сложной поверхности может быть ис- пользован топографический метод, широко используемый в карто- графии. Его идея состоит в том, что трехмерный рельеф представ- ляется в виде плоского изображения с линиями равного уровня— следами пересечения поверхности параллельными плоскостями с постоянным шагом.
Если будет получена голограмма при использовании излучения лазера на длинах волн 2ц и Z2, то при восстановлении голограммы на изображении объекта образуются сечения рельефа его поверх- ности через шаг G*=A,I7v2/212^!—Х2|. При использовании этого метода удается получить 6* от 1 мкм до 1 мм. В изготовленной ГИС использовался ионный газовый лазер (на аргоне и криптоне),, позволяющий получать 16 длин волн и шаг сечений 6* от 5 мкм до 0,5 мм. При расшифровке и соответствующей обработке (сгла- живание по 60 точкам, определение экстремума и т. п.) можно по/- лучить дробные части шага сечений. Рис. 10.17. К измерению перемещения с помощью голографи- ческой ИС Топографическое изображение поверхности объекта может быть успешно использовано для получения статистических характерис- тик поверхности, для определения соответствия поверхности за- данной норме, т. е. для выполнения процедур контроля и т. п. Для определения перемещения точки О (рис. 10.17) на ГИС по анализу интерферограммы, полученной в начальном и конеч- ном положениях объекта, составляется система уравнений di (7о-Ь7н1) =A^i2i; £/2(7o-|-7H2)=::Af22i; с1з(го~|-7нз) — N$,. Здесь го, 7Н1, Гн2, Дз—направления освещения и наблюдения; d—смещение в направлении наблюдения; Ni, N%, Ns,—количество’ интерференционных полос от полосы нулевого порядка объекта (недеформируемой точки, например основания в точке О,—как на рис. 10.17). Четвертое уравнение йДго+пи) =УД необходимо для того, чтобы определить направление перемещения. Уместно сказать, что для повышения точности измерения мож- но учитывать дробные части количества интерференционных по- лос, используя известную зависимость интенсивности изображения от расстояния между полосами. Погрешность измерения очень малых перемещений (порядка нескольких десятков микрометров) может быть около 1%.
Глава 11 МНОГОМЕРНЫЕ И АППРОКСИМИРУЮЩИЕ ИС 11.1. МНОГОМЕРНЫЕ ИС (СИСТЕМЫ ДЛЯ РАЗДЕЛЬНОГО ИЗМЕРЕНИЯ ВЗАИМОСВЯЗАННЫХ ВЕЛИЧИН] Если исследуемое явление или объект характеризуется множе- ством величин X— { [х'1], [х2], [хп]} и они независимы друг от друга (на это указывает заключение каждой величины в квадрат- ные скобки), то можно при наличии селективных датчиков произ- вести измерения всех [хг]. При независимых [х,], но неселектив- ных датчиках, сигналы на выходе которых будут содержать состав- ляющие от нескольких {х;}, встает задача выделения (ав- тоноддизации) каждой измеряемой величины [xj. Если же эле- менты множества X=(xi, х2, ..., х,г) между собой связаны, то необходимость решения задачи раздельного измерения величин х,- очевидна. Наиболее типичные примеры таких задач связаны с измерением массовых концентраций составляющих многокомпонентных жид- ких, газовых или твердых смесей (положим, концентраций кислот или щелочей) или с Измерением параметров компонентов слож- ных электронных Цепей без гальванического расчленения. Рис. 11.1. Схемы для раздельного измерения в соединениях треугольником (я), звездой (б) и Rx, Сх комплексного сопротивления (в) При известном составе многокомпонентного соединения можно решать задачу раздельного измерения компонентов с помощью разделения составляющих I{X=(xi, х2, ..., xn)/[xi], [х2] ,..., [хп]} и последующего измерения автономизированных компонентов либо путем одновременного анализа всего множества Х=(х\, х2, ..., хп)’ Суть первого способа—раздельного измерения взаимосвязан- ных величин—заключается в организации воздействия на много- компонентное соединение в целях выделения и измерения нужного компонента. Для механических и химических соединений сущест- вуют методики и средства такого расчленения: масс-спектромет-
рия, хроматография, люминесцентный аналаз, центрифугирование и ДР- Каждая из этих методик имеет свою теоретическую и аппа- ратурную базу. В сложных электрических цепях (в том числе в микроэлектронном испол- нении) для раздельного измерения параметров компонентов этой цепи созда- ются режимы, с помощью которых происходит расчленение сложных цепей на простые [11.1]. На рис. 11.1,а представлена схема, позволяющая произвести измерение Rx, не разрывая треугольное. соединение сопротивлений. При Ку— 1, ив=ис Rcb= = оо, Wx — UnRo/(Rq~VRx) И Rx=(Un—Ux)Ro/llx' Путем выравнивания токов IX=I2 в ветви звезды с /?, и измерения напря- жения u0=RBIx на известном сопротивлении Ro можно получить unl=IxRx + -{-IxRo—IxRx-\-Uq= U^Rx/Ro) + 1] и Rx= (Цц1—Ио)7?о/Цо (рис. 11,6). При использовании переходных режимов можно осуществить временное разделение сигналов, несущих информацию- о составляющих комплексного со- противления (рис. 11.1,6). После подключения известного напряжения ,., 0 Г + Rx I т - т-ргг "г [-(С.+сд«л-' ]+ I J j_ Г __ Rx + ехрг (Со+сх)^ ][• При ?=0 (0) sstZnCo/fCo+Cx), а при i=<x> Ux(o°)^UuRx/(Ro+Rx). Заметим, что при т=0,01 е_<1’01=0,99, а при т=10 е~10=45-10-6. ... Представляют интерес используемые для раздельного измерения иные раз- новидности инвариантных преобразователей [11.1]. . - ,г: При анализе всего многокомпонентного соединения используется метод со- ставления н решения системы уравнений, учитывающих взаимосвязь между вег личинами X и множеством непосредственно измеряемых величин G, являющихся известными функциями ф от исходных величин. Пусть имеется множество од- п дородных величин причем известно, что х<=1. Нужно произвести г—1 измерение каждой величины Хг, например массы или концентрации составляю- щих газовых, жидких, сыпучих или твердых смесей. Если заранее, например экспериментальным путем, определены зависимости между {х4} и множеством других отличающихся по физической природе величин К-;}™, которые отражают измеряемые свойства исследуемого объекта, то можно составить систему урав- нений ’ 91=Ф1 (xi, х2, ..., х„); ?2==4i2(5C1> Х2> ••> Хл)> — Ф/(хр х2, .... х„); Qtn — Фт (%i, х2, •.., ; п 2 xt ~ i- I «=1
В наиболее простых случаях при линейных зависимостях ф^ эти уравне- ния — алгебраические. Реализация метода возможна, если: 1) число вторичных величин подлежащих непосредственно прямым из- мерениям, и функций ф; равно или больше числа неизвестных Хг, т. е. с учетом п уравнения хг=1 выполняется неравенство т^(и—1). Если m<(n—1), то 1=1 система уравнений недоопределена и задача разрешима не полностью; 2) зависимости ф,- и их производные <9ф37<9х; существуют и непрерывны на участке возможных решений системы уравнений; 3) функциональный определитель (якобиан) системы уравнений не равен тождественно нулю на участке возможных решений: dgL дЯг (Яг дх1 дх2 дЯ2 дЯг дхг дх2 ’ ’ дх^, =£0 дЯт дЯт ( Qm С сх2 ’ ’ дхп По существу, это условие сводится к независимости функции ф3- и разной чув- ствительности qt от Xi. Приведем примеры реализации этого метода. Допустим, необходимо изме- рить процентный состав компонентов водного раствора серной и азотной кислот. Если выбраны для измерения физические параметры раствора и q2 (поло- жим, электропроводность и плотность), обладающие свойствами аддитивности, то система уравнений примет вид ' “1-1 + «2*2 + «3*3 = <71! Ь-lX-l + 62.х2 4- 6sx3 = q2, . *1 + *2 4" x3 ~ 1 • В этой системе коэффициенты ah а2, а3 и 6Ь b2, Ь3 известны; qt и q2 из- меряются в процессе эксперимента. Решение этой системы: *1 — Яг «3 п2 6?3 ?2 ^2 <71----<73 П2 — с?з 61 — 63 Ь2 bs = ki?i4-|?i'72 + ’«i; Цу — а3 bi b3 q2 — b3 О £> н м с* а 40 СО О* Й М М 1 1 5^ 40 СО — °2?1 4- f>2?2 4- к2» >'3 = 1 — (Xi 4- х2).
По такому принципу работают устройства, предназначенные для измерения концентрации алюминиевого раствора, экспрессного анализа тройных водно- солевых растворов (по измерению плотности и коэффициента преломления) и др. Добавим, что промышленностью выпускаются анализаторы состава осади- тельной ванны целлофана АСВ-1, выполняющие раздельное измерение концен- трации серной кислоты и сульфата натрия путем измерения плотности и электро- проводности ванны и решения соответствующей системы уравнений, анализато- ры состава щелочных растворов АСЩ-1, позволяющие через измерение плотно- сти и электропроводности и решение системы уравнений оценить концентрации едкого натра и гемицеллюлозы в щелочных растворах целлюлозных производств. Нужно заметить, что помимо плотности и электропроводности часто исполь- зуются измерения теплопроводности, вязкости, скорости распространения и по- глощения ультразвуковых колебаний, поглощения и рассеяния радиоактивных излучений и др. На использовании измерений поглощения и рассеяния радиоактивных излу- чений работают у-абсорбциометры [11.2]. При облучении анализируемого ве- щества радиоактивным излучением часть потока поглощается, часть рассеивается и часть проходит через вещество. Интенсивность поглощения и рассеяния зави- сит от атомной массы элементов. Ослабление происходит по закону /=%=/ое—где /0 — начальная интенсив- ность излучения, pi—коэффициент ослабления излучения веществом, р—плот- ность вещества, rf — толщина слоя вещества. Коэффициент ослабления является функцией энергии излучения Е, атомной массы вещества А и атомного номера вещества г. При различных энергиях излучения коэффициент ослабления зависит от различных эффектов. При малых энергиях Е (порядка 0,1—0,01 МэВ) пре- обладает фотоэффект (вырывание электронов из оболочки), для которого Цф~ smpi (E)z5[A, при средних энергиях (0,5^£^1 МэВ)—комптон-эффект (откло- нение гамма-кванта)—|iIt^:(p2(A)z/A и при больших энергиях (£>1 МэВ) — образование пар электрон — позитрон — рп^фз(Д)г2/А. Облучая и-компонент- ную смесь поочередно от т источников у-излучения с различными уровнями энергии Е и измеряя р, можно получить необходимые данные для составления и решения системы уравнений. Подобный метод, но при использовании световых потоков с разными длина- ми волн используется для определения состава пульпы, состоящей из сульфита магния и магнезита в воде. В качестве параметров смеси, аддитивно зависящих от концентрации сульфита, выбраны при этом оптические свойства пульпы. Относительная приведенная погрешность измерения концентрации MgO в диа- пазоне 4—8 % и MgSO3 в диапазоне 7—12 % составляет не более 2 % при изменении дисперсности частиц от 100 до 300 мкм. На практике весьма часто связь между концентрациями компонентов и измеряемыми параметрами носит нелинейный характер. В этом случае имеется возможность аппроксимации этой зависимости многочленами. В [11.3] приво- дятся данные, показывающие, что в ряде практически важных случаев измере- ния концентрации состава сложных смесей достаточно применять приближение многочленами третьей степени. Для алюминатных растворов (в случае измерения электропроводности и скорости ультразвука в растворе) при введении в систему уравнений в качестве параметра температуры погрешность определения концен- трации с кубической аппроксимацией не превышает 1—1,5% измеряемого диапазона.
Для i-ro компонента смеси в этом случае решение может быть найдено в следующем виде: Xi=6?io-f-flilZ1-|-fli2Z2-]_ai3z3-J-c!ill2l2~|_c!i22Z22-|-fli33Z32-j-fl142zlZ2-|-flil3ZlZ3-|- “|-Я1-2з222з-|-Я1-1112234'й12222234_й1'ЗЗз2з34~й> 11221222-]-Яг2232222з“)- -J-fiil2221Z22~|-flil33zlz32-|-Ci233Z2Z324-C1-223Z22Z3-|-C!il23ZiZ2Z3. В реализованной на этом принципе действия контрольно-измерительной си- стеме параллельно-последовательного действия выполняются измерение и кон- троль состава трехкомпонентных растворов глиноземного производства в 15 сече- ниях технологической линии за время, не превышающее 2 мин. Для анализа состава многокомпонентных сред широко используется также измерение реакции среды на электромагнитное многочастотное воздействие. Такой метод анализа получил название многочастотного. Известны его при- менения для измерения физико-химических свойств стали, влажности зерна и т. п. Перейдем к краткому изложению сути другого метода раздельного измере- ния зависимых величин, который назовем условно методом моделей. Этот метод весьма полно исследован и давно используется в электроизмерительной технике для раздельного измерения активной и реактивной составляющих комплексных сопротивлений и напряжений [11.4, 11.5]. Действительно, в самом общем виде мосты и компенсаторы переменного тока содержат модель измеряемого объекта (сопротивления или напряжения), известные параметры которой сравниваются с неизвестными параметрами объекта. При достижении определенных соотноше- ний между ними (в равновесном режиме — равенство этих параметров) резуль- тат измерения определяется по известным параметрам модели. Мостовые и компенсационные схемы переменного тока являются вариантами реализации метода структурных моделей, используемого для раздельного изме- рения зависимых величин. На объект исследования и модель объекта (рис. 11.2) подается внешнее воздействие. Реакции объекта и модели Xi* сравниваются, затем параметры модели изменяются до тех пор, пока между ними и парамет- рами объекта не будут выполнены определенные соотношения. Метод структур- ных моделей применительно к раздельному измерению составляющих сложных электрических цепей осуществляется в многомерных электроизмерительных устройствах сравнения. В [11.6] обобщены основы построения, исследованы вопросы чувствительно- сти, сходимости и устойчивости процессов уравновешивания при применении ите- рационного метода, произведен анализ погрешностей многомерных электроизме- рительных устройств сравнения. Кроме того, приведены данные о разработанных устройствах для измерения и контроля элементов радиоэлектроники, сеточной модели и т. д. На рис. 11.3 показана схема измерения сопротивлений Ri, R2, Rs, Ri, схо- дящихся к узлу О сеточной модели с помощью многомерного устройства. В мо- мент равновесия Rl=RKlRa/Rc; R2=—Rk%R a/Rc} Rs—RksRo/Rc', Rt^RviRa/Ro На эти соотношения не оказывают влияния остальные сопротивления сеточной модели.
Рис. 11.4. Структурная схема ИС с прямыми (о) и обратными (б) перекрестными связями Следует отметить, что при числе контуров уравновешивания, превышающем? два, схемы и алгоритмы для раздельного измерения зависимых величин сущест- венно усложняются. Для автоматического уравновешивания в многомерных измерительных устройствах используются методы наискорейшего спуска, градиен- та, Гаусса —Зейделя, описанные в гл. 8. Задачу разделения взаимосвязанных величин в ряде случаев можно решить,, используя введение искусственных перекрестных связей, учитывающих неселек- тивиость датчиков или взаимосвязь измеряемых величин? в среде. На рис. 11.4,и представлена структурная схема системы, предназначенной, для раздельного*
измерения двух величин, в которой используются прямые связи, а на рис. 11.4,6— обратные связи. На этих рисунках W — передаточные функции датчиков, М — .модели датчиков, Д[ и Д2 — датчики. Для случая разделения двух переменных (рис. 11.4) прямые перекрестные «вязи Ml2=MiWi2/W22 и M2i=M2W2i/Wii, а обратные связи Af12= (1/-Л42) X X(W'12/U722) и M2i=(l/-Mi) (W'zi/W'n). Результирующие передаточные функции ло каждому каналу определяются для схемы на рис. 11.4,я в виде =Mt Wn (1—Wl2W2lfWn W22); H2=M2 W22 (1—№12 Ц721/W'21 , а для схемы на рис. 11.4,6 H2=M2W22-, Из этих выражений видно, что с помощью введения перекрестных связей •можно осуществить не только разделение сигналов, но и их функциональное преобразование. Если выбрать Mi = l/W'n, и 7И2=1/11722, то работа второй схемы сводится к так называемому методу обратных операторов. Известно применение метода перекрестных связей для уменьшения взаимного влияния компонентов в четырехкомпонентных аэродинамических весах с упру- гими элементами и тензодатчиками. При этом удавалось примерно на порядок уменьшить взаимное влияние компонентов. Методы перекрестных связей и обратных операторов можно отнести к не- посредственным методам разделения и измерения зависимых величин, а метод структурных моделей — к компенсационным методам. Видимо, возможно совместное использование метода перекрестных связей, обеспечивающего относительно простое разделение величин, и метода структур- ных моделей, обладающего, в принципе, лучшими возможностями по точности .измерения. По сути дела, в таких системах используется комбинированное управ- ление по разомкнутому и замкнутому каналам с применением принципа инва- риантности (компенсации) системы к внешним возмущениям. 11.2. АППРОКСИМИРУЮЩИЕ ИС Если нужно количественно оценить и при необходимости восстановить исход- ную входную величину, являющуюся функцией некоторого аргумента, то имеется .принципиально два пути выполнения измерений. Первый, чаще используемый, .заключается в измерении дискрет этой величины, расположенных через опреде- ленные интервалы аргумента, и восстановлении ее путем аппроксимации с по- мощью многочленов невысокой степени. Второй путь связан с измерением коэф- •фициентов многочленов, аппроксимирующих исходную функцию на всем интерва- ле ее анализа. Естественно, что порядок аппроксимирующего многочлена при этом должен быть более высоким. Нужно отметить, что при соответствующем выборе типа приближающего многочлена имеется возможность не только коли- чественного описания поведения изучаемой величины в любой точке интервала .наблюдения, но и одновременного получения информации о некоторых свойствах этой величины. В частности, при использовании ряда Фурье знание коэффициен- тов ряда позволяет судить о частотном составе изучаемой функции.
Измерительные системы, позволяющие измерять коэ фициенты. приближаю- щих многочленов, далее называются аппроксимирующими (АИС). Подчеркнем,, что АИС относятся к системам, предназначенным для количественного описания величин, являющихся функциями времени, пространства или другого аргумента,, и их обобщающих параметров, определяемых видом приближающего много- члена. Коэффициенты аппроксимирующего многочлена зависят от изучаемой x(t) и выбранной системы приближающих функций ср(/). Получение коэффициентов, многочлена, аппроксимирующего исходную функцию, Ch=Fi[x(Z), фь(0], относится к области анализа сигналов. Эта зависимость при равномерном кван- .V товании по аргументу имеет вид Ck= тле /=1, 2, ..., N — по- /=1 рядковый номер дискретных значений исходной функции x{t). Заметим, что наиболее часто изучению подлежат процессы x(t) и простран- ственные функции х(1). Кроме времени и пространства в качестве аргумента в АИС употребляются интервалы корреляции при описании корреляционной функции, частоты при опи- сании спектральных характеристик и т. д. (рис. 11.5). Для восстановления (синтеза) исходной изучаемой функции нужно выпол- нить преобразование x*(/i)=f’2[Cfe,q)h(/j)]. К При равномерном квантовании по аргументу х*(Ч) = Ckfk /.=() В АИС, так же как и в других ИС, информационные операции могут вы- полняться последовательным, парал- лельным или смешанным способами. Аппроксимирующие измерительные си- стемы могут реализоваться с замкнутой или разомкнутой информационной об- ратной связью, в виде аналоговых или цифровых устройств. При создании и использовании АИС приходится решать ряд специфи- х(6): x(t), Рис. 11.5. Исходные функции ческих задач, к которым в первую оче- редь относятся выбор типа приближающего многочлена и определение его по- рядка, исходя из заданной погрешности аппроксимации. Решение этих задач зависит от вида изучаемой исходной функции, заранее известной информации о ней, от цели измерения, метрологических требований к измерениям и т. д. В качестве приближающих многочленов с базисными функциями <p(f) могут быть выбраны ряды Фурье, разложения Фурье —Уолша, Фурье —Хаара, мно- гочлены Чебышева, Лагранжа, Лежандра, Лагерра и др. Основные данные о наи- более широко применяемых многочленах приведены в гл. 21. Приведем примеры реализации АИС. Остановимся на использовании АИС при измерении коэффициентов разложения Фурье — Уолша распределенной в про-
«странственепрерывной функции x(Z).Б этом важном для практики случае исходная величина воздействует в каждый момент на датчики, жестко закреп- ленные в узлах аппроксимации. Для первоначального рассмотрения можно при- нять, что в процессе измерения исследуемая функция не изменяется, координа- ты мест расположения датчиков известны с заданной точностью, а датчики вос- принимают эту функцию в точках. Конечно, отступления от этих условий окажут .влияние на погрешность результата измерения, но это влияние может быть оце- нено особо. Размещение датчиков должно быть таким, чтобы можно было описать .исходную функцию с заданной погрешностью по полученным дискретам. Расчет интервалов квантования может быть выполнен из соображений, приведенных в гл. 22. Допустим, что на интервале наблюдения расположено N—2n датчи- ков. Тогда имеется возможность реализовать алгоритм получения коэффициентов Фурье — Уолша по формуле N Ck^^/2n)^ xlljjWbUi), i=i ггде Wk(lj) —функция Уолша. Аппроксимирующая измерительная система разомкнутого типа при исполь- зовании функций Уолша реализуется довольно просто. Положим, необходимо произвести аппроксимацию пространственной кривой воспринимаемую четырьмя датчиками, с использованием разложения •Фурье — Уолша. Матрица коэффициентов функций Уолша Wk (Z3) третьего по- .рядка и структуры аналоговой части АИС параллельного (а) и последователь- ного (б) действия представлены на рис. 11.6. В параллельной структуре показа- 4 .ны цепи, необходимые для получения по формуле С\=(1/4) 2 x(lj)Wk(lj) коэффициентов Со .и Си Поскольку функции Уолша принимают значения -|-1 •или —1, то сопротивления равны между собой. При последовательном получении коэффициентов Со и Ci алгоритм работы .выглядит следующим образом: при измерении 4С3 Ф(4С0, Го) {I[x(Zi)J||I[x(Z2)]||I[x(Z3)]III[x(Z4)]J I[Jc(Z!)+x(Z2)+ -|-*(Z3)-|-x(Z4)] I(4C0); при измерении 4Ci Ф(4С,, Г,) {I[x(Z1)]||I[x(Z2)]||I[-x(Z3)]||I[-x(Z4)]}X X I[x(Z1)H-x(Z2)-x(Z3)-x(Z4)] I(4CJ. Коэффициенты разложения Уолша при этом выдаются генератором G ФУ. На выходе аналоговой части может быть произведен анализ значимости по- рученных и устранение несущественных коэффициентов. Помимо этого, отбор существенных коэффициентов может быть выполнен путем оценки погрешности восстановления с помощью сравнения восстановленной и исходной функций и .решения о значимости полученных коэффициентов. Если исходная функция описывается многочленом высокого порядка, то •имеется возможность .многократного использования АИС на отдельных участках
Рис. 11.6. АИС с параллель- ным и последовательным полу- чением коэффициентов Фурье — Уолша: а — параллельное соединение; б — последовательное соединение; в — таблица функций Уолша существования функции и «сшивания» кусочного описания в единое выражение. Возможность перехода к единому выражению при использовании функций Уолша определяется тем, что функции Уолша для удвоенного интервала увеличивают порядковый номер, а коэффициенты при таком «сшивании» могут быть получе- ны в виде С— (С'-f-С") /2. Это достаточно наглядно может быть проиллюстриро- вано с использованием матрицы коэффициентов Уолша. Положим, определены коэффициенты Сш и Си, а также Свг и С12 для двух отрезков [О, 0,5] и [0,5, 1], содержащих по два датчика (/ и 2, 3 и 4). Тогда для отрезка [0,1] получается Cq= (Coi~|- Со2) /2; Ci = (Coi—Cos) /2; C2= (Сц—|—C12) /2; С3=(Сц—Cis)/2.
Действительно, если Coi—0,5 [х (Zi)-j х (Z2) ]; Co2=O,5[x(Z3)+x(Z4)]; Clt=0,5[x(Z,)—x(Z2)]; Cj2=0,5 [x (Z3) —x (/4) ], то Cc=0,25 [x (Z,) -J-х (Z2) -j-x (Z3) +x (Z4) ]; C,=0,25 [x (ZJ -j-x (Z2) —x (Z3) —x (Z4) ]; Сг=0,25 [x (lt) -x (Z2) +x (Z3) -x (Z4) ]; C3=0,25[x (Z.) —x (Z2) —x (Z3) —x (Z4) ]. После выполнения таких операций имеется возможность вновь оценить зна- чимость и отфильтровать несущественные коэффициенты. В Новосибирском электротехническом институте [11.7] были изготовлены и использованы в различных целях АИС: для работы с четырьмя термопарами (20 тыс. коэффициентов разложения Фурье — Уолша в секунду, +0,4 %); для анализа периодических сигналов с частотой 10, 100, 1000, 10 000 Гц, + 1 %; Для работы с четырьмя тензодатчиками (использовались многочлены Чебышева и разложение Фурье — Уолша, производилось одновременное измерение четырех коэффициентов, +0,5%); для работы с 64 тензодатчиками (получались 64 ко- эффициента ряда Фурье, разложения Фурье — Уолша, Фурье — Хаара и Чебыше- ва); для работы с тензодатчиками с применением микро-ЭВМ С5-11, «Электро- ника-60». Кроме того, было изготовлено несколько генераторов сигналов задан- ной формы. К основным областям применения АИС и восстанавливающих (синтезирую- щих) устройств относятся измерение статистических характеристик случайных процессов (см. гл. 12) и характеристик нелинейных элементов, сжатие радиоте- леметрической информации и информации при анализе изображений, фильтра- ция—восстановление функции без некоторых коэффициентов [11.8], генерация сигналов заданной формы. Представляет интерес использование АИС для организации контроля состоя- ния исходной функции и для распознавания образов по коэффициентам разло- жения. Глава 12 СТАТИСТИЧЕСКИЕ ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЕ СИСТЕМЫ 12.1. ОСОБЕННОСТИ ИЗМЕРЕНИЯ СТАТИСТИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК СЛУЧАЙНЫХ ПРОЦЕССОВ Статистический анализ случайных величин и процессов широ- ко применяется во всех отраслях науки и техники. Для специалистов ИИТ необходимо не только уметь пользо- ваться статистическими характеристиками при проектировании и анализе погрешностей технических средств, но и знать методы и
принципы построения аппаратуры, предназначенной для экспери- ментального измерения таких характеристик. Ввиду особой важ- ности статистических измерительных систем здесь целесообразно привести в весьма сжатом виде основные сведения о принципах построения таких систем и дать примеры их реализации. Для более глубокого изучения теории статистических измере- ний, методов и средств измерения статистических характеристик рекомендовать в первую оче- специалистам в области ИИ 1 моя редь [12.1, 12.2]. Для изучения материала по статистическим измерениям от чи- тателя требуется твердое знание и понимание основ теории веро- ятностей в объеме [12.3]. При экспериментальном изме- рении характеристик случайных процессов имеется возможность оперировать с временной реали- зацией ансамблем реали- заций {%<(/)}{=1 2, ...,т При или ансамблем реализаций {xi(f3)} 1=1,2...,™, взятых в опреде- ленный момент времени t} Рис. 12.1. Реализации случайного процесса (рис. 12.1). Нужно подчеркнуть, что рассмотренное далее приложимо и к анализу случайных функций, у которых в качестве аргумента мо- гут быть время, пространственные координаты и т. п. Заметим, что при фиксированных значениях аргумента значения функции — случайные величины. Случайные процессы могут быть заданы в непрерывном или в квантованном по времени виде. В последнем случае функция за- дается выборкой N дискретных значений непрерывной функции, взятых через определенный интервал времени АЛ При анализе ансамбля реализаций, конечно, получается наибо- лее полная информация о случайном процессе. В ряде практиче- ски важных случаев можно ограничиться определением характерис- тик случайного процесса по одной его реализации или по ансамб- лю значений—это оказывается возможным, если случайный про- цесс является стационарным и эргодическим. В дальнейшем остановимся на экспериментальном измерении характеристик стационарных эргодических процессов [12-4]. Полученные в результате измерения эмпирические характерис- тики случайных процессов принято называть оценками истинных характеристик Q*. Эти оценки сами по себе являются случайными величинами. Поэтому при планировании статистического измери- тельного эксперимента необходимо решать задачи получения оце- нок характеристик с заданной погрешностью при ограничениях, накладываемых на объем исходных данных, на время измерения, на возможности аппаратуры и т. п.
Как известно, оценки характеристик должны ыть состоятель- ными, несмещенными и эффективными. Состоятельной называется оценка, вероятность отклонения значения которой от оцениваемой величины при увеличении объема статистического материала N стремится к нулю, т. е. P{|QW*—Q|^e}=0. Оценка называется Л'-^оо несмещенной, если разность ее математического ожидания и ис- тинного значения оцениваемой величины приближается к нулю, т. е. фактически при этом требуется, чтобы отсутствовала систе- матическая ошибка. Смещение оценки Q* определяется как AQ*= =Al[Q:i:]—Q. Оценка называется эффективной, если несмещенная оценка обладает наименьшей дисперсией: minD [Q *] = =тшЛ4{Л4 [Q*]—Q}2. Погрешность оценки Q* обычно определяет- ся доверительной вероятностью а и доверительным интервалом Q+e: P(Q*-e^Q=^Q*+e)=a. Типовой алгоритм измерения характеристик стационарного случайного процесса по его реализации x(t) может быть представ- лен в следующем виде: <2*=М{Яф[х(01}, где 77<p[x(f)]—соответствующее данной оценке преобразование исследуемого процесса. Если x(f) представлено в виде непрерыв- ной функции, то типовой алгоритм реализуется в интегральном т виде: QH* [x(f)] dt, если же исследуемый процесс пред- о ставлен в виде N дискрет, то N /=1 где Af—интервал равномерного квантования x(t) по времени. Ре- зультат преобразования Нф[х(0] при измерении математического ожидания равен Hm[x(^)]=x(Q, дисперсии — Як[х(/)] = [х(0 — —Мх]2, дискрет корреляционной функции Ня [х(^) ] = [х(/) — —Мх] [х(Ц-т)— ЛГх] и т. д. Большинство характеристик, получаемых по описанному алго- ритму, состоятельны, несмещенны и эффективны. Исключение со- ставляет оценка дисперсии, и для устранения смещенности она должна быть представлена в виде ‘ N S [х(/у)-ад/^ R(ZV-l)]. Основными источниками методической погрешности при ре- ализации этого алгоритма являются конечное время анализа T=NAt или конечный объем выборки N=T//\.t, квантование x(t)
по уровню и способ построения статистических функций по изме- ренным их дискретам. Если задача статистических измерений заключается в получе- нии параметров статистических функций, к которым относятся за- коны распределения вероятностей, корреляционные и спектраль- ные функции, то их определение может быть также реализовано через измерение коэффициентов аппроксимирующих многочленов т Ck = ^^k{t}dt о к с получением оценки изучаемой функции Q* = 2 cwAt). k=0 Основными источниками методических погрешностей в этом случае будут конечное число членов разложения и, как и в преды- дущем способе, конечное время анализа или конечный объем вы- борки. Чаще всего при статистическом анализе используются законы распределения вероятностей и моментные характеристики, корре- ляционные и спектральные функции. Перейдем к рассмотрению структур и алгоритмов статистичес- ких измерительных систем, предназначенных для измерения зако- нов распределения вероятностей, корреляционных и спектральных функций. Средства и алгоритмы измерения математического ожи- дания и дисперсии читателям предлагается изучить по [12.2]. Считаем полезным привести соотношения, необходимые для ориентировочного определения объемов выборок при измерении Мх и Dx. При измерении Мх некоррелированных выборок (А^>ткор) о2м« (1/7V) (DX/M2X) =v?/N, где тКоР—интервал корре- ляции, Ом—средняя квадратическая погрешность измерения сред< него значения, и—коэффициент изменчивости. Конечно, это выра- жение справедливо при Л4х=#0. Средняя квадратическая погреш- ность определения Dx связана с объемом некоррелированных вы- борок так: о2о«2/ЛГ. Подчеркнем, что приведенные соотношения пригодны для гру- бых, ориентировочных расчетов. При слабо коррелированных вы- борках объем N должен быть увеличен. 12.2. СИСТЕМЫ ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ЗАКОНОВ РАСПРЕДЕЛЕНИЯ ВЕРОЯТНОСТЕЙ СЛУЧАЙНЫХ ПРОЦЕССОВ Одномерный интегральный закон, или интегральная функция эаспределения вероятностей, определяется вероятностями нахож- дения исследуемого процесса ниже уровня х, который может из- меняться от—оо до +°о: 77(х)=р[—eo^.x(t) (рис. 12.2). По определению Е(—оо)=0 и 77(4-оо)=1.
Рис. 12.2. Функция распределения вероятностей: а — к определению функции распределения вероятностей; б — вид функции распределения вероятностей Рис. 12.3. Плотность распределения вероятностей: а — к определению плотности распределения вероятностей; б —вид плотности распределе- ния вероятностей Двумерный интегральный закон распределения вероятностей стационарного случайного процесса x(t) определяется вероятностя- ми нахождения x(t) и х(/-|-т) ниже уровней Xi и х2: F(xb х2, т)=р[х(^).^х1; хЦ+т)^х2]. Одно- и двумерные дифференциальные законы распределения вероятностей случайного процесса x(t)—плотности распределения вероятностей (рис. 12.3)—определяются следующими выраже- ниями: f{x)=dF{x)/dx\ f(xj, х2, т) = — d2F(xh х2, rj/dxidxz или f (х) dx=p [х^хЦ) sCx+dx]; f(xb х2, r)dxb dx2=p[xi^x(t) ^2 X\ —|— dx^ * x9gCx ) ~2£x2-l-dx2]. Определение вероятностей p[x(/)=Cx] и p |x<x(Z) ^x+dx) можно производить путем суммирования отрезков времени, в те- чение которых выполняются указанные неравенства, и отнесения полученной суммы к времени наблюдения:
для функции распределения F(x) = • г-к» Т для плотности вероятности f(x, Дх) = Пт —-----!—. Г->ао Т Дл--»0 Если исследуемый процесс представлен решетчатой функцией (в виде дискрет, размешенных через интервал дискретизации Д^), то выражения для интегральной функции и плотности распре- деления примут следующий вид: F (х, N, Д/) = Нт Л'-ж Л f(x, N, Ы, Дх) = 1пп^--^— Дх-*0 В этих выражениях Д/—интервал дискретизации; п—количест- во дискрет, уровень которых меньше х для функции распределения или находится в интервале хф-Дх для плотности распределения; N=T/l±t—количество дискрет в исследуемой реализации—объем выборки. В большинстве случаев Д^ равно или больше интервала кор- реляции исследуемого процесса. Для определения функции и плотности распределения должен быть получен ряд значений F (х) и f(x, Дх) в пределах динами- ческого диапазона исследуемого процесса. Для этого динамичес- кий диапазон разбивается на несколько интервалов квантования и для каждого интервала квантования определяются значения F и f. При экспериментальном определении закона распределения вероятностей неизбежно возникают методические погрешности обусловленные конечной длительностью наблюдения (T<Zoo) или выборки (Л?<;оо) реализаций и конечным значением интервала квантования по уровню Дх^=О. Именно ввиду наличия в первую очередь методических погрешностей в результате измерительного эксперимента получаются не точные, а приближенные выраже- ния—оценки законов распределения вероятностей: R(x, Т)=-|ч f*(x, Дх, = Т Дх . г Пр F (x, N, М) = —; f*(x, N, М, Лх) = ^*—
Определение интервала квантования по параметру х произво- дится известными способами. В зависимости от степени аппрокси- мирующего многочлена в теории вероятностей различают пред- ставление плотности распределения гистограммой (приближение на интервалах квантования степенным многочленом нулевой сте- пени) или полигоном (приближение многочленом первой степени). Неравенства Чебышева [12.5] позволяют при заданной по- грешности оценки законов распределения приближенно определить время наблюдения при некоррелированной выборке, когда интер- вал квантования А/ равен или больше интервала корреляции: A[max|F::(x, Т) -F(x) 4/ег2 /?[шах|Г(х, Ах, Т) Ах - f (л) Ах | > ег] < 4Ге2г Более точное определение времени анализа Т или объема вы- борки N (при некоррелированной выборке) может быть выполне- но, если задана относительная средняя квадратическая погреш- ость измерения о в фиксированных точках F*(x) и f*(x, Ах) по формулам [12.2, 12.5]: N _ 1 —F*(x)__________1_ F~~ o2fF*(x) ~ o2fF*(x) ’ ' azff*(x, Ax) ' Приближенные значения Np и Nf получены при условиях F* (х)< 1 и Axf * (х, Ах) <С 1. Если между выборочными значениями имеется корреляционная связь (Д/<то, где то—интервал корреляции), то объем выборки нужно увеличить. Поскольку F*(x, Т) и f*(x, Ах, Т) связаны между собой из- вестными зависимостями, то в статистических анализаторах, види- мо, можно ограничиться только измерением Г*(х, Т) или f*(x, Ах, Т). Аппаратурные решения для измерения F*(x, Т) проще, чем для f*(x, Ах, Т). Однако большинство ИС делается для измерения плотности распределения. Это объясняется тем, что при преобразовании плотности распределения в функцию рас- пределения погрешности получаются существенно меньшими, чем при обратном преобразовании [12.6]. Рассмотрим основные структуры и алгоритмы ИС, измеряю- щих дискреты функций или плотностей распределения вероят- ностей. Такие ИС (будем называть их анализаторами вероятнос- тей) могут быть одноканальными и многоканальными. Одноканальные анализаторы вероятностей за цикл анализа реализации x(t) позволяют получить одно дискретное значение функции или плотности распределения исследуемого случайного процесса. Для получения всех дискретных значений, необходимых
для представления законов распределения, следует последователь- но изменять х или месторасположение интервалов квантования’ по уровню Ах и производить измерение величин F*(Xi) и Ах)- Естественно, что при последовательном измерении всех дискретных величин F* и f* на проведение анализа затрачивает- ся большое время. Рис. 12.4. Анализатор с ШИМ и аналоговым интегрированием (Х| и х2—уровни анализа) Рис. 12.5. Одноканальная система для измерения функции распределе- ния вероятностей Рис. 12.6. Система с телевизионным датчиком ТД для измерения распре- деления вероятностей Структурные схемы одноканальных анализаторов представле- ны на рис. 12.4—12.6. Наиболее часто в одноканальных анализа- торах, оперирующих с непрерывными сигналами и основанных на измерении относительного времени пребывания процесса x(t), ис- пользуется образование ШИМ-сигналов и их интегрирование в те- чение времени Т. Логическая схема алгоритма анализатора вероятностей, изо- браженного на рис. 12.4 и настроенного на получение дискрет плотности распределения вероятностей, охватывает: начальное состояние: Ф(В) <p[xi; х2; Кл(П] Пх(01Х; образование ШИМ-сигналов: /^{Цх^^х^/и^ Д?(х()] || 1[х(^) ^х2/ио, At (х2) ]} X; формирование дискреты плотности распределения: Xl{[AHxi) — — At(xz)]; н0} I ЩдЦхЛ —Д?(х2)]; Дх]1 I[S:f*(x„ Дх)]Ф(Е}.
Разрешающая способность таких анализаторов определяется .дрейфом уровня амплитудных селекторов и формой импульсов. <Она обычно ограничивается примерно 1/20—1/100 частью макси- мального значения измеряемого напряжения. Если исследуемый процесс представлен в квантованном по вре- мени виде, используются амплитудный дискриминатор с изменяе- мым уровнем сравнения х (рис. 12.5) и суммирующие счетчики, на выходе которых получаются значения п и N. СЛСА такого анализатора вероятностей: начальное состояние: <р(х; М=0; п=0; /=0;)X; формирование х,- и х: X Ф(/ : =/+1) 1(х/ || х)Х счет суммарного количества дискрет j и i (с уровнем Xj^Zx): X{I(S:D/) || [I(CR:xj, х) ofx^x) I(S : Di]}X; выдача информации: x«(/=/V) [I(Zj) ||/(Di)] Ф(Е). Здесь j—текущее суммарное количество всех дискрет проанали- зированной части исследуемой реализации, a i—текущее количест- во дискрет с амплитудой, меньшей или равной уровню анализа х. На рис. 12.5 показан анализатор, предназначенный для изме- рения F* (х). Предоставляем читателям возможность составить схе- му и алгоритм анализатора такого типа, позволяющего произвести .измерение f* (х, Ах). По такому принципу работают одноканальные анализаторы импульсов АИ-3—АИ-8, обладающие высоким быстродействием (до 105 имп./с), повышенной чувствительностью (максимальное значение амплитуды исследуемых процессов до 3—10 В). Простотой и высоким быстродействием отличаются анализато- ры с преобразованием исследуемого временного процесса x(t) в пространственный сигнал х(/). Это преобразование может быть осуществлено с помощью электронного осциллографа при подаче ла отклоняющие пластины электронно-лучевой трубки исследуе- мого процесса и несинхронного развертывающего напряжения. Возможно также использование оптических систем с перемещаю- щимися диафрагмами и фотоэлектронным воспринимающим и ин- тегрирующим устройством либо промежуточное преобразование с помощью телевизионного датчика ТД (рис. 12.6) с последующим диализом полученного потенциального изображения. Многоканальные анализаторные системы, позволяющие полу- чать законы распределения амплитуд импульсов и интервалов времени между ними, амплитуд непрерывных временных и рас- пределенных в пространстве случайных процессов и т. п., широко используются в ядерной физике, биологии, геофизике, в химичес- ком и металлургическом производстве. Наиболее часто реализации исследуемых процессов представ- ляются в виде электрических сигналов и графических изображе- ний. Как в том, так и в другом случае могут быть использованы диалоговые, цифровые и смешанные принципы построения анали- заторов. В аналоговых анализаторах используются дискриминаторы, выделяющие каналы—интервалы значений измеряемых величин,
аналоговые накопители (индивидуальные для каждого канала) и устройства вывода (рис. 12.7). В качестве амплитудных дискрими- наторов могут использоваться пороговые устройства (типа тригге- ров Шмитта), фотоприемники с диафрагмами, выделяющими ка- налы, и т. п. Обычно при использовании дискриминаторов число- каналов не превышает 30—50. Для накопления данных в этом слу- чае часто используются конденсаторные устройства. Рис. 12.7. Многоканальная аналого- вая система для измерения распре- деления вероятностей Рис. 12.8. Многоканальная цифровая система для измерения плотности распределения вероятностей Структура многоканальных цифровых анализаторов вероят- ностей (рис. 12.8) включает АЦП, у которого каждое деление шка- лы связано с индивидуальным счетчиком. В многоканальных анализаторных ИС типа АИ, предназначен- ных для статистического анализа импульсов [12.5J, используются в качестве интегрирующих устройств магнитные устройства памя- ти (рис. 12.9). Результат измерения в виде кодоимпульсного сиг- нала I (zj) в таких ИС поступает в регистр и определяет ад- рес ячеек памяти Adz,-, в которых накапливается количество зна- чений исследуемой величины, соответствующих каждому результа- ту измерения. С помощью RGi к числу, хранящемуся в ячейках памяти данного интервала АЦП, после поступления очередного результата измерения добавляется единица. Промежуточные ЗУ (на магнитных лентах, перфолентах, перфокартах и т. п.) исполь- зуются для увеличения объема выборки, уменьшения потерь ин- формации и т. д. Весьма удобной для построения многоканальных анализаторов является мультиплицированная структура (рис. 12.10), пригодная для оценки параметров законов распределения как случайных ве- личин, так и случайных функций. Здесь число ступеней выходного
напряжения ик ЦАП (число ступеней «развертки») равно числу •интервалов группировки f*(x) или F*(x); при этом на каждом такте ик проводятся определение числа сработавших устройств сравнения и запись этого числа в соответствующие сумматоры, количество которых равно числу ступеней ик. Если определение числа сработавших устройств сравнения осуществляется путем опроса, то в качестве сумматоров можно использовать обычные счетчики. В зависимости от того, сбрасываются или нет каналь- Рис. 12.10. Мультиплицированная система для измерения распреде- ления вероятностей Значения ► f *(х) или F*(x) ные триггеры в конце каждой ступени, будет измеряться f*(x) или F* (х). Анализаторные ИС позволяют получать законы распре- деления амплитуд А, временных интервалов В, номеров источни- ков информации Д в различных сочетаниях (обычно не превышаю- щих трехмерного): А, В, АА, AAA, АВ, ААВ, ВВ, АД, ВД. Для получения й-мерных законов распределения ИС содержат соответствующее количество АЦП и промежуточное ЗУ (на рис. 12.9—7?A7Wi). При этом основное запоминающее устройство разделяется на k частей. В Советском Союзе разработаны и выпускаются анализаторы импульсов типа АИ. Отечественные промышленные анализаторы АИ-128-1М (А), АИ-256 (А, В, Д), АИ-1024 (АА, В, АД), АИ-2048 (А, В, АВ), АИ-4096 (АА, ВВ, АД, ВД) имеют число каналов, равное 'соответственно 128, 256, 1024, 2048 и 4096, число уровней квантования по амплитуде от 100 до 512 (в АИ-4096-3-А6—до 4096), ширину временных каналов от 10~9 до 64-10~6 с, число каналов координат датчиков от 8 до 100, емкость каналов от 104 до 1018 бит, цикл сортировки от 10 до 56 мкс. Анализаторы АИ-4096-3 и А-2048-1 выполняют дополнительные операции обработки сигналов: сглаживание, нормирование, раз- ложение на элементарные компоненты и т. п. Для этого анализа- торы имеют арифметические устройства и устройства управления, позволяющие производить помимо основных арифметических one-
раций операции сравнения, модификации адреса, условного пере- ход а. Анализаторы типа АИ выпускаются в блочном исполнении. К отдельным блокам, входящим в состав современных анализато- ров АИ, относятся АЦП, ЗУ, АЛУ, управляющие, выходные устройства, устройства коммутации и передачи информации. Принцип их действия и технические характеристики изложены в [12.5]. Рис. 12.11. Система для измерения распределения вероятнос- тей с аппроксимацией Для контроля правильности функционирования АИ и опреде- ления их характеристик используются генераторы образцовых по- токов импульсов. Разработаны генераторы точных амплитудных значений, распределенных, например, по нормальному закону, ге- нераторы белого шума и т. и. Предусмотрен контроль входных и выходных устройств АИ. Разработаны тестовые программы, слу- жащие для проверки работоспособности узлов обработки инфор- мации АИ. В [12.5] приводятся данные измерительных комплек- сов и центров, в которых с помощью коммутаторов и согласующих устройств объединяются для совместной работы несколько АИ и ЭВМ. Следует отметить, что при работе АИ возникают специфические погрешности, которые следует учитывать. Для этого используется аппарат теории массового обслуживания. Структура АИС, позволяющая получить коэффициенты много- члена, приближающего кривую плотности распределения вероят- ностей, представлена на рис. 12.11. СО Если учесть, что Мрс(£)] = J коэффициенты раз- -00
ложения Фурье функции Ck — J <рй [л (/)] dx, a f (х) = СО =2 то можно принять, что Ck — M{<?k [х(/)]} [12.2]. k=0 Сигналы на выходе фильтра <рл(О ортогональны и зависят от времени, а на выходе функционального преобразователя <Р/г[х(О]—от исследуемого процесса. Для графического представления необходимо, чтобы время бы- ло связано с уровнем сигнала. Интервал между импульсами 6(0 при определении Ck должен быть больше времени усреднения. Порядок приближения т может быть определен из анализа средней квадратической погрешности оценки: со т —оо /г=1 При получении f* (х) описанным методом отсутствует необхо- димость квантования процесса по времени, могут быть сокращены емкость используемой памяти и время измерения. 12.3. КОРРЕЛЯЦИОННЫЕ ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЕ СИСТЕМЫ Основные определения. Методические погрешности Для эргодических стационарных случайных процессов выраже- ние корреляционной функции может быть записано как т Rx (у) — М\х (t) х (t 4-1)] = lim — f x (f) x(t -j-t) d T^-oo T J 0 Аналогичным образом определяется взаимная корреляционная функция двух эргодических стационарных случайных процессов: т Rxy (4 = lim 4г Г х (0 у (t -ф- i) dt. 0 Иногда под корреляционной функцией понимают т Rm, х (t) = Пт 4- ( x(t) х (t -z) dt = Rx -^Msx. Г-»оо / J 0 В этом случае корреляционная функция случайного процесса содержит информацию и о математическом ожидании процесса. Экспериментальное определение корреляционной функции в большинстве случаев связано с измерениями значений корреляци- онной функции при различных фиксированных т(0^т<со). От- дельное значение корреляционной функции при данном т носит название коэффициента корреляции. При т=0 коэффициент корре-
ляции Дх(О)=£>х- при T-^-сю коэффициент корреляции для эрго дических стационарных случайных процессов стремится к 0. Для 0<т<ос Rx(x)^Dx- Корреляционная функция является четной функцией своего аргумента, т. е. Дх(т)=Дх(—т). В результате измерений получаются оценки математического •ожидания и коэффициентов корреляции, которые для непрерывных случайных процессов и случайных периодических последователь- ностей имеют следующий вид: т M*x = ~^x(t)dt-, о /V X (Д = у х (/) х (t 4- т) dt; 6 Я** — v S Xl°Xi+m’ i = I ^.Y^^y^x(t)y(t }-^df, О N Rx, Y (m) = ДГ X‘Vi+in'’ i = l R*x(m) ux Корреляционная функция случайного процесса, отнесенная к его дисперсии, носит название нормированной корреляционной функции рх(т). По определению 0<Грх(т)=С1. Проиллюстрируем вид корреляционной функции несколькими примерами (рис. 12.12), взятыми в [12.9]. Корреляционная функ- ция процесса x(t) =А Rx(t)=A2 (рис. 12.12,а). По мере уменьшения статистической связи между ординатами реализаций случайного процесса (рис. 12.12,6, в) корреляционная функция приближается к дельта-функции. Для нормального белого шума корреляционная функция описывается дельта-функцией (рис. 12.12, г). Для синусоидального процесса корреляционная функция равна Дх(т) = (/42/2)coson (рис. 12.12,6). Нужно заметить, что величины, имеющие постоянное значение или периодический характер, толь-
Рис. 12.12. Виды корреляционных функций а — постоянной величины; б — случайной величины с относительно большим интервалом корреляции; а, е — то же, ио с меньшим по сравнению с предыдущим случаем интерва- лом корреляции; д— синусоидальной величины ко формально можно трактовать как случайные процессы. Их ис- пользуют обычно для проверки коррелометров. В прикладном корреляционном анализе довольно часто исполь- зуется понятие интервала корреляции. Под интервалом корреляции понимается значение аргумента корреляционной функции т0, при котором корреляционная функция не превышает некоторого зара- нее заданного значения е: I pjr (т) | *Се для т^гто- Используются также интегральное значение определения интервала корреляции через корреляционной функции: СЮ Px('t)rf'c<S ДЛЯ т'о J |Рх(^)| %* 'о dt < е для Выбор того или иного выражения для интервала корреляции определяется характером прикладных задач. Так, например, интервал корреляции то' используется при оцен- ках математического ожидания случайных процессов, то"—при определении шага квантования по времени непрерывных реали- заций при осциллирующих корреляционных функциях, т0 — при оценке эффективности оценок корреляционных функций. Методические погрешности корреляционных измерений весьма подробно рассмотрены в литературе [12.7, 12.8].
Остановимся лишь на тех результатах исследования этих по- грешностей, которые необходимы для организации эксперимен- тального определения корреляционных функций. Погрешность от влияния квантования исследуемой величины по амплитуде оказывается незначительной при относительно невы- соких требованиях к точности измерения мгновенных значений. Положим, при квантовании случайного процесса образуется шум квантования n(t). Квантованное по амплитуде мгновенное значе- ние случайного процесса будет равно: д:к (/) = х (/)-}-+«(/) В этом случае Яхк Ь) = М [хк (0 xv (t 4- ч)] = М [к (/) к (14- -с) -f- к (0 Мх 4- 4- к (t) п (t 4- т) 4- мхх (t 4- 4 -j- 2И2Х 4- мхп (t 4- ч) 4- пv) х X V (t + 4 4- мхп (04-«(0 «{t 4- ч)]. Если квантователь имеет шумы квантования с нулевым мате- матическим ожиданием, то M\Mxn(t-\-x) J =0; М[Мхя(0]=0. Кроме того, М[х(/)7Их]=0 и Ai[714xA:(i4-T)]=0. Тогда RxK (О = Rx (0 4~ Msx -J- Rxn (0 4~ Rnx (0 -г Rn (О- При интервалах квантования Ax-CA'mnx можно полагать шум равномерно распределенным, интенсивность шума квантования Л4[п2] = /?и(0) = (Дх)2/12^/?и(т). При Дх/о<1 взаимная корреля- ция шума квантования и сигнала x(t) практически может не учи- тываться. Следовательно, RXk (t)«^Rx(т)4~Мх24" (Ах)2/12. Если не вводить поправку на /?п(т), то оказывается, что относительная погрешность б из-за квантования сигнала по уровню даже при незначительном количестве квантов т имеет небольшое значение. Так, при т = 4 б«20%; т=8 б«5%, при т=16 6=1,2%, при /и = 32 6 = 0,3%), при т = 64 6=0,09%. На практике в целях уменьшения влияния возможных отклоне- ний математического ожидания и плотности распределения шума квантования от расчетных значений обычно применяют АЦП, имеющие от 16 до 64 делений. При определении оценок корреляционной функции важно учи- тывать погрешности, обусловленные конечным временем Т реали- зации или числом дискрет N случайной последовательности. При проектировании корреляционных ИС приходится решать также задачу определения Т или при заданной погрешности.
Эта задача „может решаться по-разному в зависимости от пол- ноты априорной информации о виде корреляционной функции, ко- торая должна быть получена в результате измерения. „Положим, известна нижняя частота сон гармонических колеба- ний спектра корреляционной функции. Тогда [12.8], если ограни- читься временем реализации 2Т, /2 1 Д2 R*x (’) ~ COS COS а»нг — 6Т [ЯА (т)]. При заданной погрешности бт[ЛД(т)] можно определить Т: 6т [^ (т) ] < TJ2nT= \/2пК^. Так, например, при бт[7?^(т) ] =0,02 /<т^г8. Для эргодического стационарного случайного процесса с нор- мальным законом распределения и нулевым математическим ожи- данием при некоррелированной выборке значений анализируемого процесса может [12.2] использоваться следующее выражение: D [Я*А(т)1 ?2 1 Если объем выборки ограничивается техническими характери- стиками аппаратуры, то можно усреднить результаты измерения, полученные на отдельных участках, и тем самым уменьшить 6(т). Более подробно эти вопросы рассмотрены в [12.2, 12.4, 12.7, 12.8]. Интервалы квантования Дт корреляционной функции по аргументу выбираются в зависимости от допустимой погрешности восстановления корреляционной функции. На практике при вос- становлении корреляционной функции весьма часто используются полиномы невысокой степени (в большинстве случаев — первой). При линейной аппроксимации и известном значении максимума модуля второй производной |ЛГ'| корреляционной функции имеем Дч — ]/88р/| М" ]. Если Рх(т) = е—то Дт = (1/р)]Л88р. При Рх ('max) ~ 0,05, tmnJ(. = 3/p количество дискрет нормированной корре. ляционной функции я = 3/]/88р-|-1. Принимая 8р = 0,02, получаем п = 9. Обычно для восстановления /?А*(т) с погрешностью около 1 — 2% достаточно на отрезке самой высокочастотной составляющей корреляционной функции взять примерно 10 дискрет, для монотон- ной по характеру корреляционной функции достаточно взять 10— 15 интервалов Дт, для затухающей по гармоническому закону функции — 30—40 интервалов, для двухчастотных функций — око- ло 100 интервалов и т. п. Наиболее существенные результаты по анализу аппаратурных погрешностей корреляционных ИС получены в [12.1, 12.2, 12.7]. Остановимся кратко на рекомендациях, полученных в результате этого анализа. В корреляционных ИС даже значительные внешние влияния, если они не коррелированы с исследуемыми процессами,
мало сказываются на результатах измерении. В то же время не- большой дрейф характеристик или возникновение помех, коррели- рованных с x(t), может вызвать появление значительных погреш- ностей. Степень влияния помех и погрешностей существенно зависит от места их возникновения в системе. В частности, центрирование случайных величин целесообразно выполнять на входе, а не на выходе ИС. Точность корреляционных ИС во многом определяется их прин- ципом действия. Цифровые ИС имеют в этом смысле большие преимущества, при этом их сложность относительно невелика. Следует выделить два основных метода построения корреляци- онных ИС. Первый из них связан с измерением коэффициентов корреляции и последующим восстановлением всей корреляционной функции, второй — с измерением коэффициентов многочленов, ап- проксимирующих корреляционную функцию. По каждому из этих методов система может действовать по- следовательно или параллельно, работать с аналоговыми или ко- доимпульсными сигналами, в реальном времени или с измене- нием скорости и т. и. Корреляционные ИС с последовательным, измерением коэффициентов корреляции Рассмотрим методы построения систем, в которых выполняют- ся прямые (некомпенсационные) измерения коэффициентов корре- ляции. Среди них наиболее распространен метод умножения. При его реализации используются формулы О т 1 С0 ° о при фиксированных значениях аргумента /гДт, &=0, 1, 2 ... На рис. 12.13 и 12.14 показаны схемы аппаратной реализации для измерения коэффициентов корреляции корреляционной и взаимно корреляционной функций. Поскольку метод умножения применим для корреляционного анализа любых стационарных случайных процессов, то большинство корреляционных ИС построено на его основе. Имеются решения, позволяющие избежать операции умноже- ния. Они связаны в большинстве случаев с заменой умноже- ния возведением в квадрат суммы значений х и х (/+т).
Для стационарных случайных процессов M[1(Z)+x(H-t)]2 = 2Dx[1+pHt)]; Л4{ [х (0 +% (/+т) ]2- [°х (0 -х U+т) ] 2} = =Л4[4х°(0х°(^+т)] =4/?х (т). Нужно, однако, заметить, что коррелометры, основанные на таком принципе действия, не имеют преимуществ по точности пе- ред коррелометрами с умножением, а выигрыш по простоте реа- лизации сомнителен. Рис. 12.13. Схема, реа- лизующая метод умно- жения при измерении дискрет корреляцион- ной функции Рис. 12.14. Схема, реа- лизующая метод умно- жения при измерении взаимно корреляцион- ной функции Коррелометры, построенные по полярному методу (методу зна- косочетаний) [12.8], являются наиболее простыми, но они приме- няются для анализа центрированных нормальных стационарных случайных процессов. Двумерная плотность распределения нор- мального случайного процесса f Х2) =------------- — ехо 21X02)^1 — f2z(t) -- * 1 Л 2 2°2 [1 - ^(т)] где х!=х(£); х2=х(Н-т), определяются значениями нормированной корреляционной функции. Следовательно, если найти совместную вероятность некоторых значений x(t) и х(/Д-т) [или у(Н"т)], то можно определить р^(т). Наиболее просто находятся вероятности совпадения (или несовпадения) знаков случайных процессов (рис. 12.15), сдвинутых относительно друг друга на интервал т [12.2]: р++ (т) =р— (т) = (112л) arccos [—р (т) ]. Отсюда р (т) =—cos 2л [р++ (т) ].
Структурная схема полярного коррелометра относительно про- ста (рис. 12.16). Однако необходимо принимать меры по обеспе- чению одинаковых частотно-фазовых характеристик каналов, ис- ключению связи между ними, уменьшению дрейфа нуля во вход- ных цепях и т. д. Выпускаемый серийный полярный коррелометр КА-ЗД имеет погрешность не более 10%, частотный диапазон от 50 до 20 000 Гц и динамический диапазон сигналов 100 мкВ — ЗВ. При релейном методе используются формулы R*x (0 = М [л (0 sign к (t =)] = /2/^ °хРх (0; Rx, у (0 = М [х (0 sign у (t -|- г)] = V2/™ °хРх. Y (0- Коррелометры, основанные на релейном методе («значение — знак»), обладают более высокой точностью по сравнению с поляр- ным коррелометром и приближаются в этом смысле к коррело- метрам, основанным на методе умножения. Следует отметить, что при релейном методе объем выборки увеличивается примерно в 2 раза по сравнению с методом «значение — значение» и определя- ется из следующего выражения: бр2=^(1//0т) {[л2/4рхг(т)] — 1}, где zVhk — количество некоррелированных значений исходной функ- ции. Имеются исследования, направленные на повышение точности полярного и релейного методов путем введения вспомогательных- случайных сигналов и т. п. При измерении коэффициентов корреляции с применением ин- теграла Стилтьеса используется аналого-цифровой принцип по- строения коррелометров в соот- ветствии с выражением т Rx, у (S) — J х (0 2у (t -4- 0 dl о Рис. 12.15. К определению совпадения • е знаков х(1) и х^+т) Рис. 12.16. Схема полярного коррелометра
В этом случае предусматривается, что производится аналого- цифровое преобразование сигнала При равномерной шка- ле АЦП (Az/=const) можно принять, что zv(t-]-x)=jAy. Следова- тельно, В соответствии с этим выражением структура коррелометра (рис. 12.17) состоит из схемы переменной задержки по времени сигнала y(t), простейшего АЦП, элементов И и устройства инте- грирования, на которое сигналы подаются с соответствующими весами, определяемыми значениями сопротивлений R. Количество элементов И равно количеству уровней квантования и обычно не- велико (до 10). СЛСА для рис. 12.17 можно записать в следующем виде: <р(х, t = 0) Ф(В) I[-*(/)ИЖ-Н)] Ш+’)М+*) = Й/1Х ш [у (Жт) ¥= /ОДУ ± ду/21 1 x а+’)=/1д^ S: /о J к (t) dt to X «’[^ + ’)=7ДЛДУ ± Верхние пределы некоторых интегралов отсутствуют, поскольку интегрирование x(f) по этому алгоритму производится в течение интервалов времени, пока y(t-\-x) находится в пределе соответст- вующего уровня квантования с весами, определяемыми этими уров- нями. Для реализации этого алгоритма следует схему на рис. 12.17 дополнить устройством, определяющим необходимость выполнения нового аналого-цифрового преобразования.
Одним из наиоолее простых методов получения коэффициентов корреляции является метод диаграмм рассеяния [12.8]. Он приго- ден для анализа случайных процессов, подчиняющихся нормальному закону распределения. Основан он на том, что сечения нормальной плотности распределения (при заданном т) представляют собой эллипсы, отношение главных полуосей а и b которых определяет нормированную корреляционную функцию Рх.у (т) = [ 1-(а[Ь) 2] / [ 1+(alb)*}. Фигура Лиссажу, получаемая с помощью электронного осцил- лографа, обычно имеет размытый вид. Для измерения а и b вы- бираются линии равной яркости. Подобный метод пригоден для ориентировочной оценки значений коэффициентов корреляции. Компенсационные методы измерения коэффициентов корреля- ции разработаны значительно слабее. Однако известные достоин- ства этих методов, связанные преимущественно с возможностью исключения ряда погрешностей, заставляют обратить внимание на те немногие попытки, которые направлены на создание ком- пенсационных коррелометров. Первая попытка создания компенсационного коррелометра бы- ла предпринята в 1958 г. [12.10]. В компенсационном коррелометре этого типа изменяется мас- штаб x(t) в а раз (рис. 12.18). Следовательно, на выходе вычи- тающего звена получается сигнал х(^+т)—ux(f). После возведе- ния в квадрат (Де) и интегрирования получается М [х (?+т) —ах (t) ] 2—Dx [ 1 +«2—2арх (т) ]. Изменением и достигается минимум этого выражения. При этом учитывается, что d[l+a2—2арх(т) ]/da=0, а=рх(т). По- грешности выполнения операций возведения в квадрат и интегри- рования в таком коррелометре не оказывают существенного влия- ния, а требования к указателю существенно упрощаются, так как определение р(т) практически не зависит от знания точного значе- ния минимума, равного £>х[1—Р2х(т)]. Видимо, этот метод не получил широкого распространения ввиду трудностей, связанных с выполнением операций минимизации выходного сигнала, на что требуются определенные затраты времени, и ввиду зависимости уровня минимума от значения сигналов. Для независимого измерения коэффициентов корреляции можно использовать квазикомпенсационную цепь, предложенную К. Б. Ка- рандеевым и Г. А. Штамбергером и изображенную на рис. 12.19. На устройство умножения подаются напряжения ы(/)/2и(и (£)/2)Х X(Zk/z) —ц(^+т), а показывающий прибор реагирует на kM[и2 (t) zvJz—и (t) и (^+т) ] = =k \DuzK/z—Ru (т) ], где k — коэффициент пропорциональности.
Изменяя zK1 можно добиться нулевого показания индикатора. При этом справедливо соотношение Ри (т) = 2к/2. Благодаря использованию скалярных режимов измерения про- цесс уравновешивания измерительной цепи осуществляется весьма просто и может быть автоматизирован. Время проведения экспе- римента практически будет определяться временем, необходимьш для выполнения операции осреднения. Схема, реализующая этот принцип, успешно использовалась в аппаратуре для геодезической аэроэлектроразведки методом естественных электромагнитных по- лей. Рис. 12.18. Схема с минимизацией выходного сигнала коррелометра Рис. 12.19. Схема компенсационного коррелометра Имеется возможность измерения с помощью такого же метода так называемых мнимых коэффициентов корреляции при исполь- зовании специальных спектральных фазосдвигающих цепей, обес- печивающих изменение фазы каждой составляющей спектра u(t) в заданном диапазоне частот на угол л/2 без изменения исходных амплитуд. Корреляционные ИС с параллельным и параллельно- последовательным измерением коэффициентов корреляции Преимущества и недостатки ИС параллельного действия при- сущи и корреляционным ИС параллельного действия. Структурные схемы аналоговой и аналого-цифровой корреля- ционных систем параллельного действия представлены на рис. 12.20 и 12.21. Схема аналоговой системы не требует поясне- ний. Аналого-цифровая корреляционная ИС, описанная в [12.2], позволяет произвести одновременное измерение 100 коэффициен- тов корреляции. Частота работы генератора импульсов от 100 Гц до 1 МГц, максимальное время задержки создающейся регистра- ми сдвига, при этом изменяется от 1 с до 100 мкс. Кодоимпульсный сигнал от АЦП поступает сначала на триггерные регистры сдвига, затем на умножающие устройства и на интегрирующие цепочки. Измерение уровней напряжений на конденсаторах производится после выполнения цикла анализа.
Рис. 12.20. Многоканальная аналоговая корреляцион- ная ИС Рис. 12.21. Многоканальная аналого-цифровая корреляционная ИС J3 цифровых коррелометрах параллельно-последовательного действия возможно несколько вариантов структур. Б большинстве случаев общими элементами информационного канала являются устройства умножения, суммирующее и ЗУ. Корреляционная функция в цифровом корреляторе при сильно
коррелированной выборке определяется по формуле R*X (АДг)= -1. х (JM) X (jM + АД.) /=1 при А=0, 1, ..(т— 1). Здесь ААт — интервал сдвига, а тАт —интервал корреляции. При некоррелированной выборке и АД5=Ат R*x(kte) = -L V х (ltd) х (iM -ф- АД.) -j- L r=0 X (^ + N -(-АД.) + ... -f- x(iM)x(ibtkbt) i=N—m В [12.7] подробно рассматриваются возможные режимы рабо- ты коррелометров параллельно-последовательного действия. Оста- новимся на одном из режимов работы такого коррелометра. После аналого-цифрового преобразования (рис. 12.22) резуль- таты измерений заносятся в регистры RGX и RGV. В запоминаю- щем устройстве RAMX хранятся результаты измерений мгновенных значений x(iA/), взятых через интервал времени Л/=Ат. Количест- во в RAMX результатов измерения определяет количество измеряе- мых коэффициентов корреляции. В течение интервала А/ произ- водится последовательное умножение всех запомненных значений x(iAZ) (i=0, 1, 2, ..., т) на реализовавшееся значение y(jAt). По- лученные произведения [x(iAt)y(jAt) при i=var и /’=const] сум- мируются и хранятся в ЗУ. После выполнения этих операций, про- должающихся в течение АД производится измерение следующих дискретных значений: х(т-|-1, АО и у(тА-\, kt). В запоминающее устройство RAMX заносится значение х(т+1, АО и убирается из- быточное. В системе имеется возможность следить за текущими значениями коэффициентов корреляции, хранящимися в ЗУ. Обыч- но аналого-цифровое преобразование производится с невысокой точностью, результат измерения представляется тремя-четырьмя двоичными разрядами. Количе- ство интервалов квантования кор- реляционной функции т^100. Устройство умножения долж- но обладать быстродействием, обеспечивающим выполнение т операций 'за интервал времени АЛ Если на выполнение операций ум- ножения отвести 50 мкс и принять Рис. 12.22. Схема цифрового кор- релометра j j J - ' ;!j
т—64. то LVmin=3,2-IO-3 с. Отсюда видно, что подобный режим коррелометра позволяет анализировать относительно низкочастот- ные случайные процессы. Для повышения быстродействия используются режимы работы коррелометра, при которых Д£/то>1. Тогда количество интервалов квантования т уменьшается, упрощается запоминающее устройст- во RAMX, облегчаются требования (по быстродействию) к устрой- ствам умножения. Однако для обеспечения заданной погрешности оценки корреляционных функций необходимо увеличивать длитель- ность реализаций случайного процесса. До сих пор рассматривались коррелометры, предназначенные для работы со случайными процессами, реализации которых пред- ставлены в виде электрических сигналов. Однако большое коли- чество реализаций может быть дано в виде графических материа- лов. Известны коррелометры параллельного и параллельно-после- довательного действия, выполненные с применением оптических средств восприятия и обработки таких графических материалов. Оптические устройства для статистической обработки графиков позволяют обеспечить высокое быстродействие при относительно невысокой сложности. Для корреляционного и вообще статистиче- ского анализа с помощью оптических устройств целесообразно ис- пользовать специальные формы представления анализируемого графического материала (теневые графики, кодовая регистрация и т. д.). Для статистической обработки графических материалов весьма широко используются сканирующие ИС. Корреляционные ИС с измерением коэффициентов многочлена, аппроксимирующего корреляционную функцию Оценка корреляционной функции может быть представлена в виде аппроксимирующего многочлена СО fe=0 где Т оо Т оо G = j = j- j J x (t) X (t — t) <pft (t) dtd-z ~ oo bo T cx> =^t J K J x ~~ cZZcZt‘ о 0 Здесь {<рь(т)}—система базисных функций, чаще всего ортого- нальных. СО fo к (t — т) (х) d- является откликом о
линейного ортонормированного фильтра Ф при подаче на его вход сигнала x(t) (рис. 12.23). Следовательно, при применении цепочки ортонормированных фильтров отпадает необходимость в специ- альных устройствах, создающих запаздывание т. В [12.9] приве- дены результаты исследования, направленного на создание кор- релометров, в которых используется разложение корреляционной функции по полиномам Лагерра. В этом случае ортогональные фильтры должны иметь передаточную функцию где р — оператор дифференцирования; а — коэффициент. Рис. 12.23. Схема включе- ния ортогонального фильт- ра Общий член ортогональной функции Лагерра <?k (at) = Уа e~a'tl2, а корреляционная функция может быть восстановлена при извест- ных коэффициентах Ck как . Примеры применения корреляционных ИС Как уже говорилось, корреляционный анализ случайных про- цессов применяется весьма широко в различных областях науки и техники. В частности, привлекает внимание возможность исполь- зования в ИИТ «фильтрующих» свойств, заложенных в корреля- ционном анализе, в целях выделения полезных детерминированных сигналов на фоне помех'. Положим, имеются периодический (например, синусоидальный) сигнал u(t) и стационарная случайная помеха y(t), аддитивная по отношению к полезному сигналу и имеющая интервал корреля- ции toy. Тогда оценка корреляционной функции x(t) = u(t)-\-y(t}> будет равна: Я*х 0) = j [« (0 + У (0] [« (* + т) +.К У 4- х)] dt = и (t) и (t -J- т) dt f У (t) у (t -|- ") dt Г и (t) у (t т) dt 4~ + [ у (0 и (t -г
Поскольку сигнал и помехи не коррелированы, то два послед- них интеграла равны нулю. Следовательно, Rx* (x)=Ru*(x) +Ry(x). При x>xOvRy* (х>хОу) «О и Rx*(x>xoy) Таким образом, проведя измерение корреляционной функции при т>то!/, можно «отфильтровать» влияние помехи. Значительное уменьшение времени анализа в этой ситуации; может быть получено при применении дополнительного генератора, повторяющего полезный сигнал (t), и измерении; взаимной корреляционной функции процессов %(f) и x(t): т R*x. * (')= т- J (0 + У (0) х х W+х W Ru, х С1)- о Это устройство с генератором функции %(/), по существу, явля- ется аналогом фильтра с узкой полосой пропускания при частот- ном методе фильтрации. Подобные методы используются в целях уменьшения влияния случайных аддитивных помех в измеритель- ных усилителях, для определе- ния источников шумов (напри- мер, в технической диагностике) и т. п. Автором [12.8] высказыва- лась мысль о возможности ис- пользования этих методов для построения помехоустойчивых устройств сравнения уравнове- шиваемых измерительных цепей с параметрическими датчиками, поскольку питание таких цепей имеет известный и детерминиро- ванный характер. Продолжаются применение и разработка корреляционных ме- тодов защиты от помех при гео- Рис. 12.24. Корреляционный измери- тель скорости проката металла физической разведке полезных ис- копаемых электромагнитным способом. ' Значительный класс статистических ИС — корреляционные экстремальные ИС — основан на использовании наличия особой точки—экстремума корреляционной функции при нулевом значе- нии аргумента [12.11, 12.12]. Корреляционные экстремальные ИС широко применяются в навигации, радиолокации, металлообраба- тывающей, химической промышленности и т. д. для измерения па- раметров движения разнообразных объектов. Так, например, известны корреляционные измерители скорости движения горячего и холодного металла при прокатке, судна, са- молета и пр..' [12.13, 12.14]. Принцип их работы (рис. 12.24) за-
Таблица 12.1. Анализаторы распределения вероятностей, коррелометры Тип Измеряемые величины и функции Число каналов Диапазон исследуемого процесса Объем выборки (ОБ); погреш- ность (д); цикл, с <Устройства вывода Источник данных динамический, В частотный, Гц Ф-37 Мх, F (х), f (х), Rx y (т) 4096 2 0-5-103 OB = 216 ПЛ-150, Щ68000; ЭУМ-23, Н-306 [12-7] Х6-4 Е (х), f(x), RXtY (т) 1 40-10-3-10 0-250- Юз О? о? Дз -ч 11 II II ц 1+1+ сл — — хО ьо о ег' х® + °? ЭЛТ [12-7] Х6-5 F (х), f (х), коэффициенты шума, энтропия 1 (100 точек) 0,5—10 0—1000-106 8Р = +20%; = + Ю% ЭЛТ, цпм [12-7] Ф7016 ^Х,У О 2 ±1 0,02-20-Юз = ЧЬЗ*уо ЭЛТ [12.7] АИ-128 А 128 — — — — АИ-256 А, В, Д 256 20 9 I О4 импуль- сов/с 21е на канал; 34 -10-е с ЭЛТ, цпм [12.5] АИ-1024 А, В, Д + АА, АВ, АД 1024 50 2-10Б импуль- сов/с 218 на канал; 10-10 ’б с ЭЛТ, цпм, пл [12.5] АИ-4096 А, В, Д + АА, АВ, вд + вв, ВД 4096 50 2-10s нмпуль- сов/с 218 на канал; 12 -IO-6 с ЭЛТ, цпм, пл, НМЛ [12.5] Примечание. А — плотность распределения вероятности амплитуд; В — то же времени между импульсами; Д — то же частот источни- ков импульсов; АА, АВ, АД, ВВ, БД — двумерные плотности; ЦПМ — цифропечатающая машина.
ключается в том, что имеются два приемника ФЭг и ФЭ-2 сигнала,, отраженного от некоторой поверхности, перемещающихся относи- тельно нее со скоростью v, которую необходимо определить. На выходе приемников будут формироваться зависящие от свойств отражающей поверхности случайные процессы, сдвинутые между собой на интервал времени тп- Если расстояние между приемни- ками отраженного сигнала постоянно и равно d, то, измерив тп, можно определить скорость v—dfin- Учитывая, что корреляционная функция этих случайных про- цессов имеет максимум при т=0, имеется возможность изменять запаздывание случайного процесса в канале х(1—т) и добиваться на выходе коррелометра максимального значения коэффициента корреляции, отсчитывая при этом тп- По данным, приведенным в [12.11], погрешность измерения скорости движения металла М 36 м/с не превышала 0,1%. Время, необходимое для получения- результата измерения, при таких скоростях составляет (при авто- матической работе) доли секунды. Корреляционные экстремальные ИС используются для измере- ния дальности нахождения объекта в воздухе и воде, т. е. как высотомеры, измерители расстояния между объектами и т. п. Ско- рость распространения радиоволн в воздухе Со=3-105 км/с, а ультразвуковых волн в воде Св:=1,5-103 м/с. Следовательно, после измерения времени запаздывания сигналов тц (в секундах) можно получить расстояние в воздухе при локации £о=С,отц/2=:1,5-1О5Тц (в километрах) и в воде Z,B=.1500-t4/2 (в метрах). При использовании корреляционных экстремальных ИС для ло- кации космических кораблей удается измерить расстояния порядка 3300 км с погрешностью ±1 м, до 2 108 км с погрешностью ±10 км [12.12]. Выделенке сигналов на фоне шумов, измерение параметров движения, распознавание образов, идентификация, техническая и медицинская диагностика — вот неполный перечень областей прак- тического приложения методики и средств корреляционного ана- лиза. В табл. 12.1 приведены данные некоторых выпускаемых про- мышленностью коррелометров. В настоящее время подавляющий объем корреляционного ана- лиза выполняется корреляционными ИС, содержащими ЭВМ, и локальными устройствами со средствами микропроцессорной тех- ники. 12.4. СПЕКТРАЛЬНЫЕ ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЕ СИСТЕМЫ Основные определения Системы спектрального анализа предназначены для количест- венной оценки спектральных характеристик измеряемых величин. Напомним основные определения спектпальных хапактепистик [12.13, 12.3],
Известно, что абсолютно интегрируемые функции, удовлетво- со ряющие условию могут быть представлены в виде —со интеграла Фурье х (t) = -j— J S (/<») e‘at die. —ОС Функция S(/со) называется комплексным спектром, или спектральной плотностью амплитуд, и равна: S (/ш) — J х (t) e~iat dt. —GO S(/'co) имеет случайный характер, так как соотношения между амплитудами и фазами колебаний различных частот случайных процессов неопределенны. Поэтому при спектральном анализе слу- чайных процессов определяется спектральная плотность мощности (энергетический спектр). Для стационарных эргодических случай- ных процессов спектральная плотность мощности — математиче- ское ожидание от периодограммы Gx (ш) = lim-i-М [S2 (»]. Г->оо Оценка спектральной плотности мощности Gx* (со)=М[52(/со/Т]. Необходимо отметить, что в спектральном анализе применяет- ся не только спектральная плотность мощности одного процесса, но и взаимная спектральная плотность мощности реализаций двух процессов. В соответствии с теоремой Винера — Хинчина энергетический спектр и корреляционная функция связаны между собой преобра- зованием Фурье: со СО 0х(ш) = J/?x(i)exp(—juyc)d-t= J/?x(t)cosu>Tdi;; —00 —00 CO CO Rx (t) = —— f Gx (<») exp (jwt) du> =- f Gx (<») cos a>tdu>. 2л J 2л J —00 — oo Проиллюстрируем связь между Rx(x) и G^(co) несколькими примерами. Если Rx(i) является убывающей функцией с увеличением т, то Gjr(co)—функция, убывающая по мере увеличения со. Если 7?х(т) приближается к б-функции, то Gjr(co) —к равномерному «белому шуму» (рис. 12.25). Если x(t) помимо случайной состав-
ляющей содержит периодическую составляющую с частотой ио, то спектральная плотность мощности имеет разрыв непрерывно- сти в точке и0 (рис. 12.26). При т=0 ОО Dx — М [х2 (I)] = -4— CfjA(u>)dco, —GO т. е. элемент Gx(co)rfco определяет составляющую М [№(/)] от комплексной частоты со (рис. 12.27). Таким образом, спектраль- ная плотность мощности описывает частотное распределение сред- ней мощности случайного процесса. Рис. 12.25. Равномерная спектраль- ная плотность мощности (а) и соот- ветствующая ей корреляционная •функция (б) Рис. 12.26. Спектральная плотность мощности (а) и соответствующая ей корреляционная функция (б) При спектральном анализе использует- ся выражение для нормированной спек- тральной плотности мощности: gx (со) — Gx* (со) jDx*. Нормированная спектральная плотность связана с нормированной корреляционной функцией следующим образом: gx’(cD) cos u>tda>; При Т=0 £х(“) = Рх (t:)C0S оо Рис. 12.27. К выделе- нию элемента Gx(<i>)d(i> Методы измерения спектральной плотности случайных процессов Существующие методы спектрального анализа основываются на применении частотных фильтров или на использовании орто- гональных преобразований случайного процесса и преобразова-
ний Фурье над известной корреляционной функцией 7?х(т). При параллельном фильтровом анализе (рис. 12.28) наиболь- шее применение получили полосовые избирательные фильтры-ре- зонаторы. На выходе каждого фильтра, пропускающего узкую по- Рис. 12.28. Схема многоканального фильтрового спектрального анализа- тора лосу частот со$, после возведения в лучается составляющая спектра квадрат и интегрирования по- 00 Gx (о’ф) Dx (о>ф) / -J— f Л2 (о>ф) dw, I Mt J —00 где Л(йф) —частотная характеристика фильтра. При последовательном анализе используются перестраиваемые фильтры и гетеродинные анализаторы (рис. 12.29). Гетеродин- ные анализаторы находят большее применение, так как они про- ще в технической реализации. В них с помощью генератора пе- риодических колебаний с перестраиваемой частотой — гетероди- на — происходят последовательный сдвиг частотного спектра ис- следуемой величины и выделение из него с помощью полосового (обычно резонансного) фильтра составляющих энергетического спектра. Рис. 12.29. Схемы спектральных измерительных систем с перестраивае- мыми фильтром (а) и с гетеродином (б) Применяются также анализаторы последовательно-параллель- ного принципа действия. Разрешающая способность фильтровых анализаторов опреде- ляется наименьшим частотным интервалом А/, в пределах кото- рого смежные компоненты спектра различимы и который зависит обычно от полосы пропускания избирательного фильтра, взятой на уровне 0,7 максимального значения его амплитудно-частотной хар актеристики. При параллельном анализе время анализа 7„ар определяется временем установления колебаний в фильтрах с заданной сте-
ленью приближения амплитуды колебания фильтра к своему мак- симальному значению Атах=1: TnsP=At=A/Af. Разрешающая способность и время анализа [12.15] связаны соотношением AfA/=A=const, показывающим, что нельзя одно- временно улучшать обе эти характеристики. При последовательном анализе, используемом для выявления составляющих дискретных спектров, время анализа (при полосе исследуемого спектра, равной f) будет равно: 7'no^=A/f/Af=/lf/(Af)2. Для уменьшения времени последовательного анализа широко используется изменение частотного масштаба исследуемого про- цесса, например скорости его записи и воспроизведения, при этом 5И (/со) =/?£ (/сой), Akf ДгрС.П (Mf)2 k Если £>1, то время анализа уменьшается. Для изменения скоростей записи и воспроизведения используются магнитная за- пись, запоминающие электронно-лучевые трубки, рециркуляцион- ные линии задержки и т. п. Отношение скоростей k от 100 до 10 000 удается получить при анализе квантованных по времени дискретных последовательностей и кодоимпульсных сигналов. Отечественной промышленностью выпускаются гетеродинные анализаторы спектра серий СЧ и СКЧ и др. [12.6], перекрываю- щие широкий частотный диапазон исследуемых электрических сигналов (от долей герца до десятков гигагерц). При проектировании спектральных ИС все в большой мере используются принцип агрегатирования и средства микропроцес- сорной и иной вычислительной техники. В спектральном анализе все больше используется метод быстрого преобразования Фурье. Для спектрального анализа одиночных импульсов выпускают- ся анализаторы параллельного действия с коммутаторами и ре- гистрирующими устройствами (например, АСОИ-I, имеющий 8 ка- налов, погрешность измерения суммарного значения спектральных составляющих порядка ±20%, время анализа от 300 до 500 мс). Бесфильтровые методы спектрального анализа в большинстве случаев основаны на определении коэффициентов ряда Фурье. Оценка спектральной плотности мощности при этом может быть получена из выражения Г Г G*x (<«) = —-/И [S2 (/«>)] —-1—МI С к (t) cos midi -j- M[A2 (<o)4-B2 (<»)].
Структурная схема устройства, реализующего это выражение, приведена на рис. 12.30. При параллельном анализе анализатор состоит из набора таких устройств, а генераторы имеют разные фиксированные частоты. В [12.9] показана возможность выпол- нения спектрального анализа при использовании ортогональных Рис. 12.30. Схема бесфильтровой спектраль- ной измерительной системы фильтров Лагерра. Представляется возможным использование разложения Фурье-—Уолша. Достоинства бесфильтровых анализаторов связаны с получе- нием высокой разрешающей способности, что позволяет их ис- пользовать для детального анализа отдельных участков спектра. Б. Системы автоматического контроля (САК] Г л а в а 13 ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ АВТОМАТИЧЕСКОГО КОНТРОЛЯ 13.1. ФУНКЦИЯ И ОСНОВНЫЕ ВИДЫ СИСТЕМ АВТОМАТИЧЕСКОГО КОНТРОЛЯ Под контролем понимается процесс установления соответствия между состоянием объекта контроля и заданными нормами. В ре- зультате контроля выдается суждение о том, к какой из норми- рованных качественно различающихся областей относится рас- сматриваемое состояние объекта контроля. В принципе, при контроле нет необходимости знать значения контролируемых величин. С этой точки зрения контроль являет- ся операцией сжатия информации, устранения ненужных в дан- ном случае сведений об объекте контроля. Контроль может быть осуществлен везде, где имеются уста- новленные нормы. Нормы задаются самым разнообразным обра- зом. Так, например, они могут задаваться в виде объема кон- кретных знаний предусмотренных программой подготовки сту-
дентов, в виде ооласти количественных значении, определяющих нормальное состояние объекта. В дальнейшем рассматривается лишь контроль, при котором описания норм заданы в количественном виде с помощью анало- говых и цифровых уставок, а результатом контроля является ко- личественно определенное суждение о состоянии объекта кон- троля. Такой контроль широко применяется в промышленности при оценке состояния сырья, процесса производства и готовой продук- ции и называется техническим контролем. Затраты труда на выполнение операций контроля в современ- ном производстве очень велики. Достаточно сказать, что для обес- печения технологического контроля ряда машиностроительных и радиоэлектронных заводов используется до 30% рабочих, многие изделия радиоэлектронной и радиотехнической промышленности подвергаются полному контролю. Конечно, область контроля с выдачей количественных сужде- ний о состоянии исследуемого объекта не ограничивается только техническим контролем в промышленности. Контроль окружаю- щей среды, физиологического состояния человека, метрологиче- ских характеристик средств измерения, контроль работоспособно- сти эксплуатируемых технических средств —вот далеко не пол- ный перечень объектов контроля, для которых имеются опреде- ленные количественные нормы и выполняется или может выпол- няться контроль с выдачей количественных суждений. Операции контроля могут выполняться как с участием чело- века, так и без его участия, т. е. автоматически. Уровень автома- тизации устройств контроля может быть определен приближенно отношением объема операций, выполняемых ручным способом, к общему объему операций процесса контроля. Автоматическими устройствами контроля называются обычно устройства, у которых это отношение составляет 5%, у полуавтоматических устройств оно находится от 5 до 50%, у ручных превышает 50%. Не следует думать, что автоматизация контроля экономиче- ски выгодна всегда. Она становится выгодной, как правило, по мере увеличения количества операций и объектов контроля и со- кращения времени, отводимого на контроль. При проведении многочисленных однообразных проверок человек на определен- ном этапе не может справиться с большим потоком контрольной информации, увеличивается количество ошибок контроля, возни- кает необходимость в автоматизации операций контроля. Автома- тический контроль совершенно необходим, когда участие человека в процессе контроля невозможно. Особо нужно подчеркнуть важ- ность автоматического контроля для работы современных систем автоматического управления. Автоматический контроль выполняется с помощью контрольно- измерительных приборов и систем автоматического контроля. В системах автоматического контроля (САК) контролируется большое количество величин или (и) выполняется значительная
обработка информации, необходимая для выдачи количественно- го суждения о состоянии объектов контроля. Подавляющее большинство САК базируется на использовании элементов современной электроники. Это во многом определяется наличием относительно хорошо разработанных методов и средств преобразования разнообразных контролируемых величин в элек- трические сигналы и удобством выполнения преобразований, пе- редачи и обработки электрических сигналов. Поэтому большин- ство реализаций САК основывается на электрическом принципе действия. Состояние объекта контроля может оцениваться по входным величинам A0=x0i, Х02, -, хОп, воспринимаемым системой от объ- екта и отражающим его свойства, или по значениям функций от входных величин Н(А). Величины или функции которые непо- средственно сопоставляются с уставками, называются далее кон- тролируемыми величинами, или параметрами. Описания норм, реализованные в виде аналоговых уставок, обозначаются через C=ci, с2, ..., ст, а в цифровом виде — DC—Dei, Dc2 -.. Чтобы получить в результате контроля информацию о соотно- шении между текущим состоянием объекта контроля и установ- ленным нормальным его состоянием, любая САК должна выпол- нять следующие основные функции: I(A0/Ai)—восприятие вход- ных величин Л’о=хО1, х02, ..., хОп и преобразование их в сигналы, необходимые для последующих операций А1=х11, х12, ..., х1п; 1(C), I(DC)—формирование и реализация норм в аналоговом и цифровом видах; I(CR:A, С), I[CR:77(A), С], I(CR:Z, DC), I[CR:77(Z), DC] —сравнение входных величин или функций от них с описанием норм; I(CH:A), I[CH: 77(A)]—формирование количественного суждения; I(R:CH A), I[R:CH 77(A)]—выдача количественных суждений о состоянии объекта контроля; Ф(Ф*) — автоматическое управление работой системы. Системы автоматического контроля могут также выполнять следующие функции: I (х/г) — аналого-цифровые преобразования; I (R : A), I(R : Z) — выдачу аналоговой или цифровой информации; I(F:A), I(CP:Z), I (F : CH A)—вычислительные процедуры над аналоговыми и цифровыми сигналами или над результатами кон- троля; U, Р, Т, I(Uk), 1(7?к), Ц^к)—формирование возбуждаю- щих и компенсирующих воздействий на объект контроля, необхо- димых для получения контрольной информации; 1(СН:СН А) — выполнение операций самоконтроля системы. Операторы I(DC), I(CR:Z, Dc)I(CP:Z), а также операторы управления системой могут выполняться или формироваться как аппаратными, так и программными средствами. Вследствие наличия уставок и определяемых ими зон допуска контролируемых величин такой контроль называют допусковым. Нужно отметить безусловное родство процессов контроля и измерения, заключающееся в обязательном наличии операций сравнения входных или производных от них величин: при измере-
нии — с мерами (овеществленными единицами измерения , а при контроле—с уставками. При выполнении операции сравнения контролируемой вели- чины с одной уставкой имеется возможность осуществить двух- альтернативный контроль, т. е. разделить состояние контролируе- мой величины на две области (Же, х^с), одну из которых можно считать областью нормального состояния. Часто может быть выделено несколько качественно различных состояний объекта. Так, например, для технологических процес- сов или эксплуатируемых установок помимо областей нормальных Рис. 13.1. Способы описания норм и контрольно-измерительной инфор- мации: а — через абсолютные значения; б — от носительно номинального значения конт- ролируемой величины fi) режимов могут быть выделены области предаварийных и аварий- ных состояний, а йри дискретном производстве помимо годных и бракованных изделий могут быть выделены различные града- ции брака и годных состояний. Так, могут быть выделены изде- лия с исправимым и неисправимым браком, несколько сортов годной продукции. В САК описания норм и контрольно-измерительная информа- ция могут быть представлены по абсолютным значениям либо по отклонению от номинального значения (рис. 13.1). Сравним эти способы в случае, если значения контролируе- мых величин равновероятны и абсолютная максимальная погреш- ность измерения равна в [13.1]. Будем считать также, что границы зоны допуска симметричны относительно Со, т. е. АСВ=ДСЦ=АСО, и необходимо определить, находится контролируемая величина в зоне допуска или вне ее. При использовании способа абсолютных значений количество двоичных ячеек памяти, необходимое для организации операций контроля, равно: log снсвхтах Е3 Реализация способа отклонений возможна при наличии ко- личества ячеек памяти, равного: log c<AcB(£vc)mFX Е3 Разница между количеством ячеек памяти, требуемых для этих двух способов, будет равна: 1о^ с^св^тах
ЕСЛИ Св Cq, Хтах (Ах) max И сн>Лси, то суХуХтах j co^co (^iinax Таким образом, при использовании способа «отклонений» вы- игрыш в количестве элементов памяти при формировании описа- ний норм и выдаче результатов измерения и контроля может быть весьма существенным. Еще более значительным этот выигрыш мо- жет быть, если измерительные цепи будут давать на выходе сиг- нал, пропорциональный Дх=со—х. В САК применение находят оба способа описания норм и вы- дачи контрольно-измерительной информации. Остановимся кратко на основных видах САК, используя об- щую классификацию ИИС (см. гл. 2) и детализируя ее в необ- ходимой мере с учетом специфики систем контроля. Контролируемые величины можно классифицировать, так же как и измеряемые величины, по количеству (п=1, п^2) вход- ных величин, изменению их во времени, распределению в про- странстве (сосредоточенные в точке и распределенные). Кроме того, можно выделить зависимые друг от друга, активные и пас- сивные в энергетическом отношении контролируемые величины. Следует различать специализированные, предназначенные для выполнения узконаправленных операций контроля, и универсаль- ные САК- Последние, как правило, содержат в своем составе програм- мируемые вычислительные и управляющие средства (микропро- цессоры, микро-ЭВМ и т. п.) и создаются на основе использова- ния управляющих вычислительных машин или функциональных блоков агрегатных комплексов ГСП, объединяемых стандартным интерфейсом. Различаются САК, встроенные в объект контроля, и внешние по отношению к нему. Встроенные системы преимущественно при- меняются в сложном радиоэлектронном оборудовании и входят в комплект такого оборудования. Такие системы специфичны — для их построения часто используются функциональные блоки контролируемого оборудования. Внешние по отношению к объекту контроля системы обычно более универсальны. Иногда используется разделение САК на пассивные и актив- ные (т. е. воздействующие на свойства объекта контроля) систе- мы. В активных системах используются устройства типа подна- ладчиков технологических процессов. Большинство же САК отно- сится к пассивным, выдающим суждение о состоянии объекта, но не принимающим решения об изменении этого состояния. К пас- сивным САК можно отнести и сортирующие автоматы, так как в них отсутствует воздействие на объект контроля, изменяющее его свойства. К внутренним классификационным признакам собственно САК в первую очередь следует отнести:
выполнение контроля входных величин или параметров, являю- щихся функцией от них; наличие одной-двух и более уставок; выполнение операций сравнения контролируемых величин или параметров с уставками на аналоговом или на цифровом уровнях; структуры системы (предельные — последовательного и парал- лельного действия). Целесообразно остановиться на одном важном для классифи- кации рассматриваемых систем вопросе несколько подробнее. Дело1 в том, что в подавляющем большинстве САК выполняется процесс измерения и на выходе систем помимо результатов контроля при необходимости выдаются результаты измерения. Это позволяет более подробно изучить состояние объекта. Кроме того, если опи- сание норм в системе задано в цифровом виде, то чаще всего ре- зультаты измерения и описания норм представляются в цифровом виде. В этом случае результаты измерения могут быть использо- ваны для более рационального выполнения операций контроля (в частности, для определения частоты их проведения). Можно ут- верждать, что большинство САК выполняют функции измерений входных величин и в этом смысле являются одновременно и изме- рительными системами. Операции контроля могут выполняться по- сле измерения в цифровом виде программным путем в измери- тельно-вычислительных системах. 13.2. О ВЫБОРЕ КОНТРОЛИРУЕМЫХ ВЕЛИЧИН И ОБЛАСТЕЙ ИХ СОСТОЯНИЙ Задачи выделения набора контролируемых величин и опреде- ления областей контролируемых состояний решаются на основе анализа свойств объекта контроля, учета особенностей его работы и оценки возможностей САК совместными усилиями специали- стов, создающих или эксплуатирующих данный объект контроля и САК. Во многих практических приложениях (например, при контро- ле готовой продукции) контролируемые величины и области их нормальных значений задаются заранее в соответствии с техни- ческими или технологическими требованиями, предъявляемыми к объекту контроля. Тогда, естественно, набор величин и их со- стояний, подлежащий контролю, предопределен. В общем случае состояние объекта контроля может оцени- ваться большим количеством величин, так что встает задача вы- бора минимально необходимого набора величин, обеспечивающего достаточно надежную оценку состояния объекта. Одним из путей решения этой задачи при определении работоспособности объекта контроля является упорядочение таких величин по степени их влияния на оценку работоспособности объекта и ограничение их набора такими величинами, которые обеспечат заданную вероят- ность оценки’ работоспособности.
Положим, работоспособность объекта может характеризовать- ся величинами Xi, ..Xk- Если события, обеспечивающие рабо- тоспособность объекта по величине xit обозначить через Ait то вероятность работоспособности всего объекта (при зависимых событиях Ai) р=р(А...., А)=р(л,)р(д|л,),... k ... , p{Ak\A1, ... , А-i) —Д A I j—i- i=I В этом выражении pZ(t-_I — условная вероятность безотказной работы объекта, оцениваемая по величине хг-, вычисленная при ус- ловии, что объект работоспособен по всем величинам от xi до Xi~[. В целях минимизации количества контролируемых величин разумно для контроля первыми выбирать величины, связанные с наименьшей вероятностью безотказной работы объекта. Общее количество контролируемых величин можно опреде- лить, если задана допустимая вероятность работоспособности •Рдоп из следующего соотношения: k, k Рпсп^ J] Pi 1 j—I (г) JJ Pvj | y_! (г). «=1 i=kt + l В этом выражении pa . (i) — условная вероятность безотказ- ной работы по j-й неконтролируемой величине к моменту времени т окончания контроля; р( (т) — то же, но для i-й контролируемой величины. Отношение количества контролируемых величин к общему ко- личеству величин, характеризующих состояние объекта контроля, носит название полноты контроля. A, k При независимых событиях At paon<JJ р(Аг, т) JJ а(А> О- i=l /=А1 + 1 При контроле функционирования и работоспособности слож- ных динамических объектов в виде, например, совокупности управляемого объекта и устройства автоматического управления выбор контролируемых величин и их нормальных значений может быть выполнен в результате анализа дифференциальных уравне- ний, описывающих поведение системы. При таком анализе, ес- тественно, учитываются назначение системы и критерии оценки ее поведения. Так, для автоматически управляемых объектов зо- ны нормальных значений величин определяются зачастую из тре- бования поддержания устойчивости заданного режима [13.2]. Выбор контролируемых величин может также производиться таким образом, чтобы были удовлетворены заданные достоверно- сти контроля, временные или стоимостные критерии и т. п.
13.3. ОШИБКИ КОНТРОЛЯ При планировании контрольного эксперимента и системном проектировании САК широко используются методы теории веро- ятностей и математической статистики. Круг вопросов, решаемых при этом, довольно велик. Остановимся в этом параграфе на не- которых общих вопросах статистического анализа процессов конт- роля, имеющих важное значение преимущественно для контроля технологических процессов. Рис. 13.2. К определе- нию доли годных и не- годных изделий Определение количества годных объектов контроля при за- данных распределениях вероятностей контролируемых величин и границах допуска продукции в случае, если погрешности уст- ройств контроля не учитываются, особых затруднений не пред- ставляет. Положим, задана плотность распределения вероятностей зна- чений контролируемой величины f(x), нижняя сн и верхняя св. границы нормы (рис. 13.2). Тогда количество изделий годной продукции в долях от общего количества св IFr= J f(x)dx, CV а негодной СО % WB — у f (х) dx-, W„ — J f (x) dx. % -°0 Если случайная величина x распределена по нормальному за- кону, то для подсчета 1ЕГ, 1ЕВ, 1ЕН используются таблицы инте- грала вероятностей (функции Лапласа). Наличие погрешностей устройства контроля приводит к спе- цифическим ошибкам, характеризующим качество контроля. Различаются при этом ошибки первого рода, которые носят также название риска поставщика, или ложной тревоги, и опре- деляют вероятность отнесения годных объектов контроля к негод- ным, и ошибки второго рода, или риск потребителя, пропуск пе- рехода, при наличии которых негодные изделия классифициру- ются как годные. Если контролируемая случайная величина х и погрешность устройства контроля у в вероятностном смысле независимы, то результат контроля можно получить, оперируя с композицией
плотностей распределения /(х) и <p(t/). На рис. 13.3 показаны плотности распределения вероятностей контролируемой величи- ны и плотности распределения погрешностей устройств контроля. Как известно, если плотности распределения f(x) и <р(у) нор- мальны, то плотность распределения суммы независимых случай- ных величин будет также нормальной, математические ожидания и дисперсии случайных величин х и у при этом складываются. ’Рис. 13.3. Плотности распре- деления вероятностей контро- лируемой величины и погреш- ностей устройств контроля Рис. 13 4. Композиция f(v) и ф(1/) При выполнении процессов контроля обычно справедливо ус- ловие (СЕ—Сн) Z>yma*- С учетом этого условия можно найти [13.3, 13.4, 13.5]: вероятность ошибки первого рода (риск поставщика) Г—нг с Г с..—х в Н <? (у) '1у -Г f <?(y)dy св х dx\ вероятность ошибки второго рода (риск потребителя) dx; долю бракованных изделий как по результатам контроля, так :и фактически ^НГ-НГ = I —□о jf(x) J <р(У)^ + J <p(y)dy dx-{- с-х сн~х со J ?(у)^у+ J v(y)dy dx.
Пределы интегрирования в этих выражениях определяются из композиции плотностей f(x) и <p(z/) (рис. 13.4). Ошибка первого рода часто определяется следующим образом: нг/^*- Здесь в знаменателе применяются следующие выра- жения: lFr — В J f W dx, {у) dy dx или Wr = W СО §f(x)dx. Соответственно ошибка второго рода определяется р= = Ц7нг_г/(1 — 1F*). При вычислении вероятностей по этим формулам имеются определенные трудности. Для практических целей представляет интерес использование приближенных оценок этих вероятностей. Для их вычисления приходится прибегать к численным мето- дам интегрирования. Кривые f(x) и ср (у) разбиваются в преде- лах утах около границ допусков на несколько частей, подсчитыва- ются вероятности нахождения в каждой из них контролируемых изделий (pi, pz,...,pn) и вероятности получения результатов кон- троля (91, 92, 9п). Тогда вероятность, определяющая риск по- ставщика, будет при симметричных кривых плотностей распреде- ления f(x) и <р(9) выражаться суммой частных произведений ве- роятностей pi, входящих в зону допуска, и вероятностей выхода результатов измерений i-x значений контролируемых величин за зону допуска. Так, например, если 7=5, то можно получить сле- дующие составляющие вероятностей браковки годных изделий: Wг—нг 2 [/?, (9j 4" 9з + 9з 4~ 94 4~ 9s) 4" А (<71 4~ 9а 4" 9з 4“ 9«) 4" + Рг (914~9а + <7з)4~ А (914“ А) 4“ А911- Аналогичным способом можно получить численные значения г;_г, Сг-нг. Для приближенных расчетов используются номограммы, свя- зывающие оценки ошибок первого и второго рода для нормаль- ных плотностей распределения вероятностей f(x) и ср (у), средних квадратических отклонений погрешности устройств контроля оу и контролируемой величины ах и симметричной зоны допуска I. Ниже приводятся номограммы, заимствованные из [13.6]. При заданных значениях а, 1/ах по номограмме на рис. 13.5 можно найти либо Звг/1, либо Зоу/ох. Например, при симметричном по- ле допуска и заданных а=0,02 (р=0,01) и 1/ах=2,5 по графику на рис. 13.5 3oy//«i0,55 или 3<Ту/сгх~ 1,6. Номограммы, связы- вающие ошибку второго рода и 1/ах с погрешностью устройства контроля, представлены на рис. 13.6. Следует обратить внимание на то, что ошибки второго рода меньше ошибок первого рода при одинаковых погрешностях уст- ройства контроля и прочих равных условиях. Так, если 3<Зу/<зх— = 1,6 и //о^=2,5, то 2₽« 0,002.
О 0,005 0,01 0,015 0,02 0,025 0,03 р=а/2 Рис. 13.5. Номограмма: заданы а, l/ох; находятся 3(7 у//, ЗОу/Ох Рис. 13.6. Номограмма: заданы ₽, l/ох', находятся Зоу/Z, 3<Уу/с>х
По номограмме на рис. 13.7 при заданных (а+₽) и I мож- но определить допустимые погрешности контроля. Следует отметить, что для определения ошибок контроля пер- вого и второго рода могут быть использованы и иные методы. Например, если известны законы распределения годных Л(х) и негодных /г(-’с) изделий по данной контролируемой величине и Рис. 13.7. Номограмма: заданы (а+₽), //сх; находят- ся 3<Тт//, 3<Тг/<Тх если они частично перекрываются (рис. 13.8), то для данной нор- мы с можно определить вероятности отнесения годных изделий по данной контролируемой величине в негодные и наоборот. В [13.7] рассматриваются асимптотические приближения оценки, также позволяющие существенно упростить вычисления Ws— IV'e- Остановимся кратко па этих оценках. Рис. 13.8. Плотности распределения вероятностей годных и негодных изделий При принебрежении вероятностью реализации погрешностей, превышающих длину отрезка [сн, св], т. е. при p[|j/|>cB— —cH]^0, и симметричной относительно нуля плотности вероят- ности величины у, т. е. при <p(z/)=q>(—у), +?(Св) М [| у I]. 2 7(св)-7(сн)
В этом выражении F — обозначение интегрального закона СО распределения х, a Af[|^|]= J |у|<р(у)dy — первый абсолютный момент погрешности. Для нормального распределения величин х и у, имеющих ха- рактеристики Ох, Мх, Оу, Afr=O, М [| z/|] =:2ar/]/2it; оу ехр [ — (св — Л4х)2/2о2х] + ехр [ — (ся — )2/2о\] 2ЯОХ Ф(СВ Ф(сн — Ошибка первого рода (риск поставщика) может быть прибли- женно определена по формуле Wr—иг [Д (св) — F (сн)1 ^нг-г- Выражение для IFHr_г существенно упрощается, если границы интервала [сн, св] симметричны относительно Мх, т. е. св—Мх— —Мх-----Cn-=kGx'- ^«г-г °У 2по^ ехр [ — ft2/2] Ф(Л) Полученные выражения пригодны для решения обратной за- дачи, т. е. по заданному значению вероятности ошибки, например Гнг-г, возможно определение ограничений на погрешность средств контроля: ay = 2тох1^нг_г Ф(^) ехр[ —ft2/2]‘ Рассмотренный способ вычислении ошибок контроля пригоден для использования при инженерных расчетах с погрешностью примерно 5—10%. В ряде случаев удобно поль- зоваться понятиями, связанными с достоверностью контроля. Под достоверностью контроля пони- мается мера определенности ре- шений, принимаемых при кон- троле. Без выполнения контроля риск изготовителя а=0, а риск потребителя рош может быть определен после оценки 1ГВ и WH (см. рис. 13.2), при этом абсо- лютная априорная достоверность -D— 1—рош* Рис. 13.9. Нормальное состояние объекта контроля — площадь круга
Если контроль произведен с помощью технических средств с погре- шностью, характеризующейся плотностью распределения в ероятностей ср (у), то апостериорная абсолютная достоверность контроля D* = = 1 — /С = 1 — <а* + ₽*) Обычно р*0ш < рот, и, следовательно, Относительная апостериорная достоверность контроля Dotb= 1 — (Рош/Рош)- Довыполнения контроля Doth — 0, а после вы- полнения контроля Doth-^1- Следует упомянуть, что если состояние объекта характеризу- ется несколькими связанными друг с другом величинами, то при выполнении допускового контроля могут возникнуть дополни- тельные методические погрешности [13.2]. Так, если нормальное состояние объекта контроля определяется площадью круга, ра- диус которого R = 4- к/ зависит от размера величин xi и Х2, то в зависимости от того, каким образом выбираются уставки С11Н, С11В и С12н, С12в ИЛИ С21н, С21в И С22н> С22в , увеЛИЧИВЭЮТСЯ ОШИб- ки второго или первого рода из-за того, что уставками увеличи- вается или за счет негодных изделий число годных (заштрихо- ванная площадь на рис. 13.9), или за счет годных число негодных (затушеванная площадь). 13.4. ОБЪЕМ ВЫБОРКИ ПРИ КОНТРОЛЕ Выше рассматривался случай, когда не накладывались огра- ничения на количество объектов контроля. На практике для конт- роля из партии изделий выбирается некоторая часть. Последова- тельность реализованных значений xi,..., хп будет состоять из частных реализаций случайной величины X. Предположим, что закон распределения вероятностей этой величины нормален и имеет параметры Мх=а и ах. п Оценки математического ожидания выборки — хг-//гидис- i-i п Персии (с‘\)2£^2 (Xi — M*xyjn сами являются случайными величи- i=i нами, изменяющимися от выборки к выборке. Определим объем выборки, необходимый для нахождения Мх* с заданной абсолютной погрешностью ±Д: М [ЛГх] = а; При равенстве дисперсий математических ожиданий D[Mx*]=Dx/n-, С [АГх] — ох[]/~п.
Зададимся вероятностью рДОп, с' которой значения Мх*—а должны лежать в пределах (—А. А): р{—А< (Мх*—а) <А}=рдоп, или после нормировки ( д ° д • —————— I -----— ------- I П1 °х 11 °хГ^п По таблице функций Лапласа Найдем значение-А/(ал/]Л/г ) = йдоп ’(например, при рдоп = 0,95; /1дОП = 1,96). При допуске А на значе- ние —а| и известном ах находим необходимый объем вы-' борки: п & йдоА/Д2- Например, при рдОП = 0,997, о\/А=5 п~225. Если совокупность N контролируемых изделий ограничена, то следует для определения объема выборки пользоваться формулой п Лдоп Л//[(А' - 1) А2/о2х -ГЛдоп]. При 7^=500, pRon—0,997 и ох/А=5 /1^155. Возможен несколько иной подход к определению необходимо- го объема 'выборки. При последовательном анализе объем выбор- ки заранее не определяется, а выполняется анализ поступающих нарастающим образом данных о значениях контролируемых ве- личин (по сути дела производится измерение этих величин). Пос- ле проверки принятой статистической гипотезы принимается ре- шение о прекращении или продолжении контрольного экспери- мента. Положим, распределение вероятностей величины X нормаль- но, известны ах, значения уставок сн и св, а также ошибки пер- вого и второго рода при контроле. Приемочные и браковочные числа при контроле среднего значения контролируемой величины могут быть подсчитаны по формулам at- —-----------Itl y-L + -Св + Св. I; Св — св 1 — а. 2 = —— In Св ±-С-н- Св — а 2 Здесь i=l, 2,..., N — количество последовательно контроли- руемых объектов. На рис. 13.10 показаны зоны брака и годной продукции, а также зона неопределенности — продолжения эксперимента. Пос- ле каждого измерения производится подсчет 2 хг и эта сумма I сравнивается спи щ. Если х^ъ, то эксперимент продол-
жается. Если 2 xf^rt, вся контролируемая партия изделий бра- '-Рис. 13.10. Использование последо- звательного анализа при контроле куется, а при 2 xi<^i принимается. i Последовательный анализ может быть использован также и при оценке среднего квадратического отклонения контролируемых величин. На практике метод последовательного анализа дает относи- тельно большую экономию в среднем числе испытываемых из- делий по сравнению с фиксиро- ванным объемом выборки. Одна- ко при его использовании зара- нее невозможно установить срок окончания контроля. Имеется возможность исполь- зования смешанного метода кон- троля — заранее определяется необходимый объем выборки (п объектов контроля), затем кон- троль выполняется по методу по- следовательного анализа. Если для получения ответа о годности партии объектов контроля по ме- тоду последовательного анализа запланированный объем выборки недостаточен, то производится оценка результатов контроля по методу фиксированного объема выборки. 13.5. ОРГАНИЗАЦИЯ СТАТИСТИЧЕСКОГО КОНТРОЛЯ Основная цель статистического контроля связана с получени- ем статистических данных, необходимых для анализа хода тех- нологического процесса или годности готовой продукции и для принятия соответствующих решений. В случае, если заданы допуски годности продукции и доли годных и негодных изделий 1Его, ^во, 1Ено, то текущий статисти- ческий контроль позволяет следить за ходом технологического процесса. При изменении положения центра настройки техноло- гического процесса (рис. 13.11) происходит изменение вероятно- стей получения годных и негодных изделий. Для унимодальных и симметричных относительно начального центра настройки зако- нов распределения f(x) в случае, показанном на рис. 13.11, спра- ведливы следующие неравенства: ГпСГго; IEB1>WB0; ^и1<1Ен0. Увеличение рассеяния готовой продукции приводит к деформа- ции распределения f(x) (рис. 13.12), и при ограничениях, отме- ченных выше, соотношения между начальными и текущими зна-
чениями вероятностей принимают вид I^n<^ro; W'b^W'bo; ^>Й^нО- Решения о перенастройке технологического процесса по дан- ным статистического контроля принимаются на основании эконо- мических соображений. Статистический контроль можно организовать и в том случае, когда известен результат контроля в виде градации «годен» (Г) и «брак» (Б). Рис. 13.11. Влияние изменения математического ожидания конт- ролируемой величины на резуль- тат контроля Рис. 13.12. Влияние изменения дисперсии контролируемой вели- чины на результат контроля Наиболее простым в этом случае является определение мо- мента переналадки по предельному значению подряд встречаю- щихся бракованных изделий в ряду ГБГГГББГГГГБББГ... [13.8]. Остановимся на основных методах уменьшения ошибок перво- го и второго рода. Если продукция признается годной без допускового контроля или при зоне допуска [сн, св]^±3ох, то ошибка первого рода отсутствует или пренебрежимо мала. Уменьшения ошибок первого и второго рода можно добиться путем многократного повторения операций контроля. Однако эф- фективность многократного повторного контроля относительно не- велика. Так, например, если объем действительного брака в пар- тии изделий, контролируемый параметр которых распределен по нормальному закону, составляет 2%-, то при нормальном распре- делении погрешности измерений и отношении предельно допусти- мой погрешности к ширине допуска, равном 0,2, ошибки первого рода будут достигать после первой операции контроля 17,5%., после второй операции контроля над отбракованными изделия- ми— 12%,, после третьей — 9,5% и после четвертой — 8%. Значительно более эффективным оказывается двукратный кон- троль, при котором при первой операции используются менее точные, но более производительные средства, а при второй — более точные средства контроля. Если партия изделий содержит 3% действительного брака и проконтролирована с погрешностью
(j,5 ширины допуска, то сшибка первого рода будет достигать 28%.. После второй операции контроля объем ложного брака со- ставит 19%. Если же вторая операция контроля будет проведена с погрешностью 0,1 ширины допуска, то объем ложного брака со- ставит 2п/о’. Для резкого уменьшения ошибок второго рода применяются, гарантированные допуски: это значит, что зона допуска сн, Св сужается до размеров, при которых р становится пренебрежитель- но малой. Очевидно, что при этом должны увеличиться ошибки первого рода. Для того чтобы ошибки не превышали заданного значения, необходимо обеспечить определенную точность устрой- ства контроля. На рис. 13.13 приведена номограмма, позволяющая оценить не- обходимую точность устройства контроля, если зона допуска умень- шена на Зегу, т. е. равна I—Зоу, заданы ошибки первого рода а и отношение зоны допуска к среднему квадратическому отклонению контролируемой величины. Для принятого на номограмме диапазона изменения характе- ристики точности устройства контроля 3gy/1 максимальное значе- ние ошибки второго рода не первышает 10~4. Чтобы ошибка пер- вого рода не была больше, чем при допуске негарантированном, необходимо существенно повысить точность устройства контроля Так, например, для а-|-р=0,04, //ох'=2,5 при негарантированной зоне допуска Зс>у//лг0,87 (см. номограмму на рис. 13.7), а для гарантированной зоны допуска [/—Зоу] при а=0,04, £=0,0001, //<тл=2,5 точность устройства может быть оценена выражением Зоу//~0,3. Типичными примерами специализированных устройств стати- стического контроля являются устройства для автоматического построения. гистограмм параметров радиодеталей, для получения
оценок математического ожидания и дисперсии размеров обраба- тываемых деталей на станках и т. п. Статистическая обработка экспериментальных данных выпол- няется с помощью выпускаемых промышленностью статистиче- ских анализаторов (см. гл. 15) и выполняется обязательно в САК, содержащих универсальные программируемые вычислитель- ные устройства. 13.6. ДИСКРЕТИЗАЦИЯ НЕПРЕРЫВНОЙ КОНТРОЛИРУЕМОЙ ВЕЛИЧИНЫ Необходимость дискретизации непрерывных контролируемых величин {х(£)} возникает при проведении операций контроля че- рез некоторые интервалы времени, обусловленные, например, тем что устройство контроля в этих интервалах загружено определе- нием состояния других величин. Такой контроль называется далее дискретным в отличие от непрерывного контроля, при котором устройство контроля, не от- рываясь, определяет состояние только данной контролируемой величины. Положим, что известно поведение контролируемой величины во времени и оно описывается степенным многочленом x(t) — = a0-}-a.it-]-azt2-\- ... Тогда для допустимого изменения этой величины аДОп=а^~[-а212-[-...можно найти интервал времени Л/, через который необходимо провести операцию конт- роля состояния объекта. Если заданы вероятность и интенсивность отказов и их связь со временем, например, выраженная в виде экспоненциальной функции р = е~м, то может быть определен интервал времени, че- рез который следует произвести операции контроля объекта. При дискретном контроле случайной величины x(t) для опре- деления интервалов дискретизации не удается непосредственно использовать математический аппарат теории дискретизации, при- меняемый при измерении. Это объясняется в первую очередь спе- цификой контроля как процедуры сжатия информации. Произведем сравнение среднего Рис. 13.14. Случай непрерыв- ного контроля времени выхода контролируемой вели- чины за зону допуска с интервалами дискретизации при равномерном и адаптивном допусковом контроле. Рассмотрим в качестве предельно- го случай непрерывного контроля (рис. 13.14), характеризующийся тем, что устройство контроля фиксирует все выходы контролируемой величины x(t) за установленную зону нормаль- ного состояния [сн, св]. Примем сле- дующие допущения: контролируемая величина являет- ся стационарной случайной функции
ей времени с нормальной плотностью распределения вероятностей . 1 -(лс-М )=/2з« —-----е х *; 'время, затрачиваемое на контроль, пренебрежимо мало. Среднее число операций контроля, фиксирующих выход конт- ролируемой величины за [сн, св], в течение времени Т равно: ^=т (св ЛГ^)2 J____х_ 2m °х ехр Ч-ехр (сн — Л1Х)2 2°2х где 02х — дисперсия контролируемой величины, а а2х—дисперсия ее первой производной. Суммарное время нахождения контролируемой величины в пределах [сн, св] равно У Мг — рТ, где р— априорная вероят / ность нахождения контролируемой величины в зоне [сн, св]. Среднее время между переходами контролируемой величиной уставок в этом случае составит: .ср — Д tj Мр Если учесть, что 1 1 j (св 2°2х +ехр (си —Л/х )а 2°2х и обозначить 2с^./|/2т: через Ьсх, то Д^и.Ср — " При контроле непрерывной величины через некоторые интерва- лы времени достоверность контроля по мере увеличения этих ин- тервалов, естественно, снижается. Допустим, что в момент tn выполнена операция контроля и установлено, что контролируемая величина находится в зоне [сн, св]. В этом случае можно считать, что до следующей опера- ции контроля с определенной вероятностью она останется там же. Тогда оценкой результатов контроля может служить вероят- ность p(XeZ) того, что при t>tn контролируемая величина не выйдет за [сн, св]. На малом отрезке времени Д£ изменение контролируемой ве- личины может быть представлено в виде x(tn+&t) ~x(tn) +*(М Д£, где х(/„-|-Д/); x(tn) и x(tn) — соответственно размер контроли- руемой величины в моменты /п-|-Д/, tn и производной контроли- руемой величины в момент tn выполнения предыдущей операции. Чтобы контролируемая 'величина через время Д/ вышла за пре- делы [сн, св] через границу св, должно быть выполнено условие
x(tn) +%(Лг)Ы^св, а через границу сн— условие х(/п) + -\-x(tn)At^.cK (рис. 13.15). Заштрихованный участок определяет значения x(tn) и х{1п), при которых контролируемая величина за отрезок времени не выйдет из [сн, сБ]. Значения x(tn) и x(tn) неизвестны и имеют случайный харак- тер. Поэтому можно оценить лишь вероятностные характеристи- ки возможности выхода контролируемой величины за время tn до tn-vtit из зоны [сн, св]. Вероятность р(с„<х^сЕ) =р зависит от ширины интервала /, динамических свойств контролируемой Рис. 13 15 Композиция fi(x) и fi(x) Рис. 13.16. К определению вероятности Ро(6) величины и значения x(tn). Она может быть определена интегри- рованием условной плотности f(x, Х|Сн<х^Св) по областям I и II. Если распределение х также нормально, а производная нор- мальной случайной функции для данного момента времени не за- висит от значения этой функции, то тогда f(x, х | сн < к < св) = f, {х | ск < к < св) U (х), где >) = f 1(*) If f W dx = —рф---------exp J p V I c* ----exp (х-Мху 2°ах X2 2°ах Вероятность 1 — p может быть найдена как (Св-Сн)/А* ГВ (1-р)= J tA^dx J ce)dx-A о сБ—хМ fdx)dx f,(x|cH, cB)dxA-
\ + J f2(x)dx J ^)dx. \ -°0 А При малых А/ (рис. 13.16) вероятность р будет равна: \ р0 = 1 - дг [dp id (д/)] д ,=0> отсюда \ \ л/ = ___-~Р.о____ [dp/d(^)]^t=0 ' Дифференцируя выражение 1—р по At и подставляя его в вы- ражение для At, можно получить допустимое значение интервала контроля как м ___________________________Д(1—А*)______________________ ^ДОП 9 9 * {ехр[ — (св — -Mx)a/2°2xl + ехР I — (£н — Mx)2/^aSxi} где р и р*0 — априорная и заданная вероятности нахождения контролируемой величины на отрезке [сн, св]. При /<ох интервал квантования Л/Доп« (1—р*о)ИЪа2х- Фор- мула для определения интервала квантования является прибли- женной, и ее точность повышается с уменьшением ширины отрез- ка [сн, Св]. Если задается высокая достоверность определения нахождения контролируемой величины на отрезке '[сн, св], то время между операциями дискретного контроля по сравнению со средним вре- менем между переходами уставок контролируемой величины су- щественно уменьшается. Значительное увеличение среднего 'времени между операциями контроля (уменьшение количества операций контроля) можно получить, если сделать интервалы времени между операциями контроля различными, зависящими от значения контролируемой величины, полученного путем измерения. Используем выражения х(/и)^[св—х(Лг)]/Аг И X(tn}^[cH—X(tn)}lAt, полученные для дискретного контроля, и подсчитаем вероятность их выполнения: (cB-x)/at А = J (V|A^ax)exPl~*72a2xW* + (л—сн)/Д* . + J (1 / |/"2^х)ехр[—?/2а2^]йх.
Рис. 13.17. к определению интерва- ла дискретизации при < знании конт- ролируемой величины щественное упрощение При заданной вероятности Ро и известном (измеренном) значе- нии х можно вычислить значение интервала времени Д£и, на кото- ром выполняется операция кон- троля с измерением. Характер зависимости ДД(х) показан на рис. 13.17. Устройство контроля должно работать в этом случае в адаптивном режиме, определяя после каждой операции контро- ля и измерения интервал време- ни, через который следует про- извести следующую оценку кон- тролируемой величины. может быть достигнуто, отрезками прямых,. Зна- аппаратуры если аппроксимировать функцию Д/И(х) ченне интервала квантования для этого случая где k определяется из выражения k 2 Г / tz \ о Среднее значение интервала квантования Д^.ср ~ А/и maJe/2 = (//&>* ) (1 /2/г j/2-it). Если выбрать р0=0,997, то k=3 и Д/и.ср~(1/15) (l/bc^). Сравнив между собой интервалы квантования по времени для трех рассмотренных случаев (непрерывный и дискретный конт- роль, контроль с измерением) при р0=0,997, получим, что отно- шения Д/н.ср'К Д£доп и к ДА равны 370 и 15. В САК наибольшее применение имеют варианты непрерывно- го контроля (при параллельной структуре системы контроля) и дискретного контроля с постоянным интервалом квантования конт- ролируемой величины (при последовательном использовании ка- нала контроля). Для приближенного определения интервала контроля при из- вестных погрешностях устройства контроля и максимуме модуля первой производной контролируемой величины можно воспользо- ваться выражением &t=ymax/\dx(t)/dt\ max- При этом Утах можно принять, например, равным 3<jv, а |dx(t)/dt\max определить, проведя соответствующий анализ f(x). Мы рассмотрели выше выбор интервала дискретизации непре- рывной контролируемой величины. При проектировании систем
автоматического контроля задачи выбора интервала между опера- циями контроля решаются в соответствующей постановке в зави- симости от объекта контроля. Так, при контроле нескольких вели- чин \>дним устройством необходимо выбрать интервал контроля по каждой величине и предусмотреть равномерное циклическое выполнение в течение наименьшего интервала времени необходи- мых операций по всем контролируемым величинам или организо- вать выполнение операций контроля со своим интервалом конт- роля для каждой величины. 13.7. ОЦЕНКА ЭФФЕКТИВНОСТИ И СТОИМОСТИ СИСТЕМ АВТОМАТИЧЕСКОГО КОНТРОЛЯ Как объект оценки САК весьма сложна, и оценивать ее можно по-разному, с разных точек зрения. Так, эффективность САК. т. е. степень приспособленности системы к решению поставленной за- дачи, может оцениваться по информационному, статистическому, игровому и другим критериям [13.1]. Нужно заметить, что в большинстве литературных источников эффективность САК рас- сматривается с точки зрения выполнения задач управления со- стоянием объекта контроля. Остановимся на особенностях приложения для оценки САК ин- формационного и стоимостного критериев эффективности. Одна из форм информационного критерия может быть выра- жена таким образом [13.7]: 2 1/уо;(б t) — t)] Э (t, т) = -2=1----------------, 2 v !=1 где П1 — количество контролируемых величин; п — количество ве- личин, определяющих работоспособность объекта контроля; обыч- но rii<n и коэффициент полноты контроля Пк=п11п<\, в част- ном случае tti=n и 77к—1; т) —энтропия по i-й контроли- руемой величине: т) =-Ч[poi(t, т) logPo;(i, т) + + [1—т) [log [1— Poi(t, т)]}; Pw(t, т)—вероятность работоспособности объекта по i-й величи- не с текущего момента времени t до момента окончания процесса контроля т; Hi{t, т) —энтропия по i-й величине объекта с си- стемой контроля; Hi(t, т) =•—[pi(t, т) log pi(t, т) + + [l.-pt(i, .T)]log[l-Pi(t т)]};
pi(t, т)—вероятностьопределения работоспособностиобъекта при наличии системы контроля по i-й величине с текущего мо- мента времени t до момента окончания процесса контроля т. ! В принципе, 3(i, т) может изменяться от 1 [при ni=ti и Hi(t, т) =0] до 0 [при ti\=n и т)]. / Приведем пример использования этого критерия [13.1 Г. Ис- ходные данные: ' число величин, определяющих работоспособность объекта п= 10, величины независимы; / число контролируемых величин П1=8, следовательно,, Пк—0,8 и максимальное значение Э[(1, т)=0,8; / интервалы рабочего времени к моменту начала контроля по всем величинам одинаковы и равны tpi = 100 ч; интенсивности отказов в рабочем состоянии по всем величи- нам одинаковы и равны 7Pi=10-3 (1/ч); интервалы времени между операциями контроля Тр< = 1 ч; •вероятность ошибки второго рода (необнаруженных отказов) р*=0,004. Определим значение энтропии объекта с системой контроля, ля. Вероятность безотказной работы по одной величине Poi(t) =ехр(—Tip; tpi) = ехр(—10~3-102) —0,905. Энтропия одной величины Hoi(t) —0,905 log 0,905=0,437. Энтропия объекта контроля 2 Но1 (/) = 4,37; 2^ (0=3,49. i=l i=l Определим значение энтропии объекта с системой контроля. Вероятность работоспособности объекта по контролируемой вели- чине Pi= (1—0*)ехр [—Тф/Гр,-] =0,996. Энтропия по каждой контролируемой величине Hi (t, т) =0,996 log 0,996=^0,0323. Энтропия объекта контроля с системой контроля 2 Hi(i, 0^0,259. 1=1 Информационный критерий 9(t, т) будет иметь следующее зна- чение: Э(/, т) = (3,49—0,259)/4,37=^0,65.
\ Применение информационного критерия оценки эффективно- сти особенно полезно при сравнении между собой нескольких си- стем автоматического контроля. \Об эффективности применения САК в промышленном произ- водстве разумно судить по экономическому критерию, например> по прибылям (или потерям) в основном процессе за достаточно длительный отрезок времени. Естественно при этом считать, что- полученный результат контроля должен рационально использо- ваться\ для изменения состояния объекта контроля при помощи управления, т. е. нужно сравнивать затраты на изготовление или- приобретение системы и ее эксплуатацию с прибылью (или поте- рями) производства, определяемой применением САК с известны- ми техническими данными. В общем случае при использовании стоимостного критерия при- ходится минимизировать функционал {Сс(Я)+Ж[С(е)]}, где Cc(Z/) — затраты на изготовление и эксплуатацию системы; М[ОД] — усредненные по времени потери, вызванные ошибками контроля. Этот функционал может быть различным по сложности. В ря- де случаев достаточным оказывается приближенный анализ. Так, при сравнении систем может быть использовано суммарное зна- чение С=Сс4~Сп (Т) +СП (р), где Сп(Т’) —эксплуатационные потери, зависящие от времени кон- троля и воздействия на объект контроля в целях изменения его- состояния; Сп(р)—потери, зависящие от вероятности работоспо- собности объекта контроля или от вероятности его нормального- состояния. В простейшем случае потери СП(Т) и Сп(р) могут быть равны Сп(Т)—аТ, a Cn(p)=b (1—р) (где р—вероятность правильной ра- боты или нормального состояния объекта контроля). Положим, стоимость изготовления двух систем контроля соста- вит Сс1 = 103 руб. и СС2 = 104 руб. соответственно. Значения осталь- ных параметров: 7’1=1 мин; Т2=0,1 мин; pi=0,9; р2=0,95; а— =104 руб./мин; 6 = 105 руб/мин. Тогда суммарная стоимость систем и потерь при их примене- нии составит: Ci = 103-|-104-1 + 105-0,1=2,1 • 104 руб.; С2=104-Н04-0,1-|-105-0,05=1,6-104 руб. Следовательно, применение второй системы более эффек- тивно. - .
I лава 14 СИСТЕМЫ АВТОМАТИЧЕСКОГО ДОПУСКОВ©!© КОНТРОЛЯ 14.1. КАНАЛЫ КОНТРОЛЯ / Под каналом контроля понимается функциональное устройство ’САК, в котором воспринимается контролируемая величина, фор- мируются уставки допусковых зон, сравниваются текущие реали- зации контролируемой величины с уставками и вырабатывается суждение о состоянии контролируемой величины. Система автома- тического контроля может содержать несколько каналов контроля. Процедуры сравнения контролируемой величины с уставками, -если их количество могут выполняться в каналах контроля :(КК) параллельно или последовательно. Рис. 14.1. Аналоговый канал контроля с параллельным вы- полнением операций сравнения При небольшом количестве уставок сравнение с ними контро- лируемой величины часто делается параллельно. В аналоговом допусковом КК с двумя уставками (св и сн) и устройствами срав- нения сигнал Xi от измерительной цепи с датчиками поступает на входы аналоговых устройств сравнения (рис. 14.1). Алгоритм ра- боты такого канала контроля после формирования сигнала х$ бу- дет следующим: <Т(Х, ||С)> : ={[1(хг||сн) I(CR -.Xi, сн)Х XI (хг^с„) ] II [I (х£||св) I (CR : Xi, cB) x X I(x^cB)]} T(F:Xi^cB, 4^cH)X X{[o) (Ch I(R:Xi&V)]| [<о(хг< <си|хг>св) I(R:^gW)]}. После выполнения контроля может быть выдано суждение о том, что Xi находится в зоне допуска, в норме (область N), или о том, что x.i вышло за пределы допуска. Следует отметить, что результаты допускового контроля могут быть получены после анализа знака разности между контроли- руемой величиной и уставками. В этом случае алгоритм, аналогич-
'ный предыдущему, будет иметь следующий вид: \ <1(ДХ 11С)> :={[1(411сн) 1(х«-Сн) I (CR : х,— \ —Сн, 0) I (х,—сн=еО)]||[ОД|св) 1(Х—СВ)Х \ XI(CR:x,—св, 0) 1(А—сва=0)].}Х \ XI(F:Xi—с„3=:0, Хг—св^О)Х \ Хи(4—сн>0, Xt—св<0) I(R:x^N). Еслй же описаний норм несколько, то может оказаться выгод- ным операции сравнения производить последовательно (рис. 14.2). В этом случае алгоритм работы канала таков: <1(Х С) > : = =1(хг) L Ф(/: =/+1) ЦС/Cj) I(CR:4, c3j I(S :х^сг) со(/= =m)~l I(F :Xi^Ct, с2, ..., ст) I[R : Х-с-н (Ajм)]. Для реализации этого алгоритма необходимо иметь оператив- ную память (оператор S) и устройство отображения, позволяю- щее описать несколько областей контроля. Некоторого уменьшения емкости памяти и упрощения решаю- щего устройства можно добиться, применив два устройства срав- нения и использовав алгоритм одновременного сравнения контро- лируемых величин с двумя уставками. Поскольку после устройст- ва сравнения в каналах контроля сигналы имеют дискретный ха- рактер (типа «больше», «меньше»), то их обработку можно про- изводить с помощью комбинационных схем или иных дискретных вычислительных устройств. Рис. 14.2. Аналоговый канал контроля с последовательным, выполнением one-, раций сравнения Рис. 14.3.' Цифровой канал конт- роля Структурная схема цифрового допускового канала контроля со- держит такие же устройства-по выполняемым функциям, как и аналоговый канал (рис. 14.3). Алгоритм работы цифрового канала с параллельным сравнени- ем уставок с контролируемой величиной:- <I.(DX,||DC) > : = =1(х,) : =1(2г||0С1) I(CR:z,-, De,) X!l . ||<13->|| ... ||<Ira>} I(F:z,:^Dc,, .. ., z^Dcm) M(Dc,< <z,<Dcj+1) I(R:xzeA3) ... .. В цифровых. САК все операции хранения и формирования уста- вок, сравнения и анализа их результатов, выдачу сигналов на
устройство отображения можно выполнять как аппаратным, так и программным (на ЭВМ) способами. Непрерывный контроль, при котором канал контроля непре- рывно следит за состоянием контролируемой величины и фикси- рует изменение этого состояния, в принципе, могут обеспечить толь- ко аналоговые каналы контроля с параллельным сравнением кон- тролируемой величины со всеми уставками. Конечно, в таких ка- налах могут проявляться динамические погрешности. Но при рав- ных условиях в смысле быстродействия используемых элементов погрешности минимальны по сравнению с погрешностями других типов каналов контроля. Во всех остальных типах каналов контроля — аналоговых с по- следовательным выполнением операций сравнения и всех цифро- вых — необходимо учитывать дискретный характер выполнения операций контроля. Минимально допустимый интервал времени между операциями контроля должен определяться, исходя из ди- намических характеристик контролируемой величины и требований к достоверности контроля (см. гл. 21). Выше были рассмотрены САК, у которых контролируемыми ве- личинами являлись входные величины. Если же контролируемые величины — функции от входных, то входные величины подверга- ются необходимым функциональным преобразованиям, а уже затем производится их сравнение с уставками. Один из возможных .алгоритмов функционирования цифрового канала в этом случае может быть таким: Цх,/^;) [H!(zt)] {<Ii> :=I[H(^)i|DC1]X Xr[CR:H.(Zl), DC1] I[H(^)=gDC1]}|| ... При контроле состояния партии из п однотипных изделий, ха- рактеризующихся величиной X и уставками сн, св, может опреде- ляться, превышает ли количество дефектных изделий j установлен- ную норму сп. СЛСА при этом имеет вид =г+1).Х Xl(X/Xi) [I (CR : Xt, Сн) III (CR : %i, св)] <a (х;>св|х(<сн), X XI (CT : j) w (i = n)"] <o (/ < сп) I (R : XeN) . Подводя итог сказанному, можно выделить следующие основ- ные типы каналов контроля: аналоговые каналы контроля с параллельным и последователь- ным выполнением операций сравнения контролируемых величин с уставками; обозначим функции, выполняемые этими каналами, обобщенными информационными операторами <I(X, IIС) > и <1(Х, С)>; цифровые каналы контроля с параллельным и последователь- ным выполнением операций сравнения значений контролируемых величин с уставками; обозначим функции, выполняемые цифровы- ми каналами контроля, в виде .информационных операторов <1 (DX, ||DC)> и <I(DX, DC)>. Указанные типы каналов контроля являются основой для по- строения всех САК.
14.2. УСТРОЙСТВА ФОРМИРОВАНИЯ НОРМ И СРАВНЕНИЯ УСТАВОК С КОНТРОЛИРУЕМЫМИ ВЕЛИЧИНАМИ Описание норм (уставок) в системах допускового контроля может быть, ;как это уже говорилось, выполнено двумя способами •— аналоговым и цифровым. Остановимся сначала на устройствах формирования уставок в аналоговой .форме. Если контролируемая величина преобразуется в эквивалентное угловое «или линейное перемещение с помощью измерительного преобразователя (напри- мер, автоматического моста или компенсатора), то уставки также весьма часто задаются в виде линейных и угловых перемещений. При достижении контроли- руемой величиной значения уставки формируется соответствующий сигнал. Если контролируемая величина с помощью датчиков и унифицирующих эле- ментов преобразована в напряжение или ток, то уставки обычно задаются с по- мощью делителей напряжения или тока. Устройства сравнения, аналоговых значений контролируемой величины и уставок практически ничем не отличаются от устройств сравнения АЦП. В ка- честве устройства, .совмещающего функции формирования уставки и сравнения, используются соответствующие реле, порог срабатывания которых устанавли- вается с помощью образцовых сигналов (например, опорных напряжений или воздействий, специфических для данного релейного устройства). К такому классу устройств можно .отнести релейные устройства, основанные на использовании ждущих генераторов (в том числе релаксационных блокинг-генераторов), диффе- ренциально-усилительных устройств с положительной обратной связью и т. п. Остановимся на простых устройствах допускового контроля [8.5] с диода- ми, имеющими приближающуюся к ступенчатой вольт-амперную характеристику. Если на вход такого диода подать модулирующее напряжение, то ток через него в закрытом состоянии, вызванный модулирующим напряжением, будет весьма небольшим. В открытом состоянии сопротивление диода резко падает, и прохо- дящий через него ток, имеющий пульсирующий характер, значительно возрастает. Таким образом, в диоде при воздействии на него модулирующего напряжения совмещаются функции модулятора и порогового элемента. Диод управляется разностью между текущей реализацией контролируемой величины и уставкой. На рис. 14.4 представлены принципиальные схемы простейших устройств допус- кового контроля, содержащих верхнюю и нижнюю уставки, с использованием по- тенциометрической и мостовой схем. Генератор модулирующих колебаний может быть маломощным (порядка десятых долей ватта), частота колебаний 50 Гц — 50 кГц, а амплитуда моду- лирующего напряжения примерно на два порядка меньше напряжения питания. Для фиксации результатов контроля могут быть использованы релейные эле- менты со световым или иным сигналом, перед ними могут быть применены про- стейшие усилители переменного тока. Имеются реализованные устройства допускового контроля с вентильными элементами, обеспечивающие задание до 20 уставок. Для повышения надежности в ответственных случаях на каждой точке кон- троля используется по нескольку датчиков (например, по три). Сигнал от каж- дого датчика сравнивается со своей уставкой. Результат контроля определяется по принципу голосования: например, если более половины результатов контроля совпадают, то тогда выдается согласованный результат контроля. Имеется довольно много типов устройств допускового контроля, построенных на туннельных диодах, полупроводниковых диодах и транзисторах. Поиски на-
дежных, простых, точных п быстродействующих устройств допускового контро- ля продолжаются до настоящего времени. Если описание норм представлено в цифровом виде, то при большом коли- честве контролируемых величин значения уставок вводятся либо в автономные устройства памяти, либо в память вычислительной машины. Сопоставление уста- вок с контролируемыми величинами в этом случае может быть выполнено' в цифровом либо в аналоговом виде. В первом случае значение контролируемой величины должно быть выражено цифровым кодом, во втором цифровое значе- Рис. 14.4. Вентильные устройства допускового контроля: а — потенциометрическая схема; б — мостовая схема ние уставки должно быть преобразовано в аналоговую величину, однородную с контролируемой. По второму способу выполняется сравнение в системе ИВ-500 (см. § 14.6). Остановимся на сопоставлении уставки и контролируемой величины в циф- ровом виде. Таблица 14.1. Логические функции двоичных переменных А в Логическое сложение (дизъюнк- ция) А \/ В Логическое умножение (конъюнк- ция) А Д В Функция равнознач- ности А ~ В Импликация 7Г\/ в Сложение по модулю два А В с 0 0 0 1 1 0 0 1 1 п 0 1 1 1 0 1 0 О V 1 1 1 1 1 1 1 0 Следует различать аппаратурный (реализуемый с помощью логических эле- ментов) и программный (реализуемый с помощью ЭВМ) способы сравнения ко- дов с получением результата сравнения в виде соотношений «больше», «меньше», «равно» или с количественной оценкой разницы кодов; сравнение кодов может быт'ь выполнено поразрядно или одновременно по всем разрядам. В. табл. 14.1 представлены значения элементарных логических функций для двухразрядных двоичных переменных А и В.
Схема сравнения, выполняющая логическую функцию [(ДоЛВо) V (АоЛВо)] Л [ И ЛВ1) V (А1ЛВ.)] Л [ И2ЛВ2) V (А2ЛВ2)] . • позволяет установить равенство чисел А=В (A=A0AiA2 .... B=B0BiB2 ...), имеющих одинаковое количество разрядов (рис. 14.5). Но при дискретном кон- троле такая схема не обеспечивает надежного определения состояния, в кото- ром находится текущее значение контролируемой величины (особенно при кон- троле, проводимом через определенные интервалы времени). Рис. 14.5. Схема сравнения для определения равенства двух чи- сел Рис. 14.6. Схема сравнения одно- разрядных двоичных чисел Рис. 14.7. Схема сравнения двух- разрядных двоичных чисел Рассмотрим схемы, позволяющие определить соотношения между числами А и В:-А>В, А<В или А=В. Если А и В — одноразрядные двоичные числа, то А>В при А=1, В=0 (А>В, А/\В); А<В при А=0, В=1 (А<В, А/\В) и А = В при А=В=1 или А=В=0 [А=В, (АЛВ)УАДВ)] (рис. 14.6). Результаты сравнения двухразрядных двоичных чисел при определении со- стояний А>В и А<В представлены в матричной форме (табл. 14.2). В соот- ветствии с матрицами: для А>В • • (^lA^oABiABoJV^iAAoABiABoJVHiA^oABiABoJV V (AA^oA^iAAOV A^oA^i A^o)V (-^iA^oA^iA^o) >
Таблица 14.2. Сравнение двухразрядных чисел АиВ а) А> В А = А,А0 В = BiBo 00 01 10 11 00 0 0 0 0 01 1 0 0 0 10 1 1 0 0 11 1 1 1 0 б) А < В А — В = В1Во 00 01 10 11 00 0 1 1 1 01 0 0 1 I 10 0 0 0 1 11 0 0 0 0 для А<В (Л\ AAoA^iASo) V (AiAAoABiAbo) v (AiA-^oABiABo) V V(AiA-'ToA®! ASo) V (Ai/\Ao/\Bi/\Bq)\/ (Ai A^oA^iABo)'- Имеется возможность минимизации числа элементарных операций. После минимизации для А>В AiABiVG4iVBi)AA>; для А<В BiA-AiV (B.VA.)ABo. Этим логическим функциям соответствует схема, представленная на рис. 14.7. Для сравнения между собой чисел с количеством разрядов, превышающим два„ можно использовать пирамидальное объединение схем сравнения двухразрядных чисел. Результат сравнения двух десятичных кодов А и В по логике «равно» — «больше» — «меньше» (рис. 14.8) определяется следующими логическими функ- циями: А<В 0AA(lBV2BV3BV ••• V9B)V1AA(2BV3BV ... V9B)V ... \/8АЛ9в;. А>В 1aA0bV2aA(0bV1b)V V9AA(OBV1BV ••• V8B); А=В (Д<В)Л(Д>В). Для сравнения кодов с единичным основанием могут быть использованы разнообразные реверсивные и нереверсивные пересчетные схемы [14.1J. Сравнение нескольких кодов и выделение наибольшего двоичного кода мо- гут быть выполнены с помощью устройства (рис. 14.9), в котором начиная со. старшего разряда из дальнейшего сравнения исключаются коды, содержащие- нулевые значения. Сопоставление кодов двух чисел, как говорилось выше, может быть также выполнено путем их вычитания и анализа разности. Поскольку операции сумми- рования выполнить проще, то в большинстве устройств сравнения суммируется код одного числа с дополнительным (инверсный код плюс единица в младшем-- разряде) кодом другого. В сумматоре выполняется операция суммирования чи-
Рис. 14.8. Матричная схема сравнения двух одноразрядных десятичных чисел Рис. 14.9. Схема выделения наибольшего дво- ичного кода сел А и В и переноса избыточного разряда в старший разряд (табл. 14.3), рис. 14.10). Разность чисел А и В будет иметь положительный знак, если ре- зультат суммирования имеет избыточный разряд, и отрицательный, если резуль- тат суммирования без избытка.
Рис. 14.10. Использование сумматора для сравнения чи- сел Для примера покажем, как Таблица 14 3. Суммирование разрядов А и В (индекс «доп» относится к дополнительному коду): А = 1000000 (64) В = 0100000 (32) Вдоп = 1100000 В = 0100000 (32) А = 1000000 (64) ЛДСЛ1 1000000 (А + Ддов) = 10100000 ( + 32) (В + Лои) = 1100000 (-32) При вычитании из В числа А для получения абсолютного значения следует получить дополнительный код от (В-1-Адоп). Необходимо отметить, что существенное упрощение устройства сравнения достигается при представлении результатов контроля по способу представления допусков относительно номинального значения (рис. 14.11). В этом случае устройств© сравнения оценивает лишь соотношения между ДА, ДДв, ДДн- Рис. 14.11. Схема сравне- ния АД с допусками Можно проследить сходство между способами аналого-цифрового преобра- зования. При реализации их выполняются операции сравнения аналоговых вели- чин, одна из которых, компенсационная, эквивалентна известному коду, и сравнения кодов. И в том и в другом случаях выполняется ряд операций сравне- ния в целях получения соотношений по логике «больше» — «меньше» — «равно» между величинами. Поразрядное и одновременное по всем разрядам сравне- ние, нереверсивный и реверсивный счет двух чисел, представленных в коде с еди- ничным основанием, имеют аналоги в аналого-цифровом преобразовании. 14.3. СИСТЕМЫ АВТОМАТИЧЕСКОГО КОНТРОЛЯ ПАРАЛЛЕЛЬНОГО И ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНОГО ДЕЙСТВИЯ В этой главе рассматриваются системы допускового контроля, которые предназначены для определения состояния величин Х= =Х\, х2, . .Xi, . . ., хп, заданного в виде зон, выделяемых уставка-
ми. Конечная цель контроля — дать количественное суждение о том, находится состояние каждой контролируемой величины или объекта контроля в норме или нет, т. е. выдать информацию 1(х;еА) или I (х/еЛТ), 1(ХеМ) или 1(1еА). Алгоритмы работы допусковых САК отличаются друг от друга, в первую очередь, по последовательности выполнения операций контроля. В соответствии с этим различаются допусковые САК па- раллельного, последовательного и последовательно-параллельного действия. Рис. 14.12. Структурная схема многоканальной САК Рис. 14.13. Аналоговый канал конт- роля с выдачей результатов контро- ля, измерения и сигналов управле- ния Рис. 14.14. Цифровая САК парад дельного действия с последователь- ным выводом результатов контроля и измерения Системы автоматического допускового контроля параллельного действия, или многоканальные САК, состоят из параллельно '(одновременно) работающих каналов контроля (рис. 14.12). Каждый канал контроля в таких системах работает независимо от других каналов и выполняет функции допускового контроля одной контролируемой величины. Современные САК параллельного действия весьма часто позво- ляют выдавать одновременно с результатами контроля измери- тельную информацию как в аналоговом (рис. 14.13), так и в циф- ровом (рис. 14.14) видах, а также сигналы, необходимые для фор- мирования воздействия на объект контроля, например, в целях регулирования. Последовательный вывод результатов контроля и измерения позволяет связать систему с ЭВМ, системой управления, с общим
для всех каналов запоминающим или регистрирующим устройст- вом. Рассматриваемым САК присущи достоинства и недостатки ИИС параллельного действия: работа с разнообразными контролируе- мыми величинами, возможность получения повышенного быстро- действия, структурная простота и повышенная надежность систе- мы, определяемые независимостью работы всех каналов контроля, использование относительно простых и выпускаемых промышлен- ностью устройств каналов контроля. Вместе с тем многоканальные САК характеризуются наибольшим количеством элементов, входя- щих в систему. Многоканальные САК широко используются при управлении технологическими процессами во многих отраслях промышленно- сти, при эксплуатации динамических объектов и т. п. Устройствами каналов контроля служат выпускаемые промыш- ленностью автоматические мосты и потенциометры с устройствами сигнализации, приборы унифицированного комплекса аналоговых устройств общепромышленного назначения с компараторами, щи- товые цифровые приборы с устройствами сопряжения их с цифро- выми печатающими устройствами, формирования уставок и срав- нения их со значениями контролируемых величин. Указанные устройства имеют достаточно большой удельный вес среди элек- троизмерительных приборов, входящих в продукцию АСЭТ ГСП (см. гл. 3). Это позволяет утверждать, что во многих практически важных случаях удается создавать такие системы путем компоновки из готовых, выпускаемых промышленностью устройств. Многоканальные САК могут оказаться экономически более вы- годными при относительно небольшом количестве контролируемых величин, особенно если эти величины разнородны по физической природе. Во всяком случае, при выборе готовых или проектиро- вании новых САК вариант использования или реализации много- канальной системы должен приниматься во внимание. В САК последовательного действия (их также называют ска- нирующими САК) контролируется состояние величины (например, температуры, перемещения или освещенности какого-либо предме- та), распределенной в одно-, двух- или трехмерном пространстве. Кроме того, в этой ситуации могут контролироваться функции (по- ложим, интегральные) от входной величины. Если контролируемые величины — дискреты входной исходной величины, то координаты точек пространства, в которых должны производиться операции контроля, выбираются аналогично тому, как выбираются интерва- лы контроля по времени при дискретном контроле. Нормы здесь могут быть в наиболее простом виде общими для всех дискрет или для нескольких дискрет, а также индивидуальны- ми для каждой дискреты входной величины. При индивидуальном задании нормы должны сопровождаться указанием соответствую- щих координат точек.
Каналы дискретного контроля в сканирующих САК помимо основных функций должны обеспечивать перемещение зоны вос- приятия сканирующего датчика в заданную точку пространства. Система автоматического контроля управлять последователь- ностью выполнения операций контроля. Если для задания контролируемой величины достаточно ука- зать две координаты и если в системе используется цифровой ка- нал контроля с последовательным сравнением контролируемой величины с уставками, то алгоритм сканирующей системы можно- представить следующим образом: U): = (U U] 1(XJ<I(DX, DC)>X Xl[S:xteVWl = Кроме дискретного контроля в сканирующих САК может быть реализован непрерывный контроль, при котором сканирующее дви- жение датчика позволяет определить места, где контролируемая величина выходит за пределы установленной нормы, а затем изме- ряются координаты этой контролируемой величины. Для выпол- нения непрерывного контроля в первую очередь рационально ис- пользовать аналоговый канал непрерывного контроля, оператор которого имеет вид <1(Х, ||С)>. СЛСА для системы непрерывного контроля может быть таким: Ф(В) |_ Ф(/„ l(xz)<l(X, ||С)> <o(xzG^)X 2 X LI(/u/DZlt||/a(/D/2t-)X 1 2 х I(W:D/jZ, DZ2Z) -| ®[var(/1Z, Z2Z)J Д ... В этом алгоритме предусматривается сканирующее перемеще- ние датчика var(/iZ, 1ц), непрерывное выполнение операций кон- троля, а в случае выхода контролируемой величины за пределы нормы — аналого-цифровое преобразование и запись этих коорди- нат. При непрерывном (адаптивном) контроле, так же как и при адаптивной дискретизации при измерении, выдаются результаты контроля в заранее не обусловленной точке пространства. Видимо, дополнительного сжатия контрольной информации при этом не- получается (по сравнению с дискретным контролем). Здесь можно говорить об уменьшении общего объема используемой информации из-за устранения при непрерывном контроле информации о коор- динатах контролируемых величин, не вышедших за допустимые- границы, а также о возможности повышения надежности контроля путем непрерывного наблюдения за состоянием контролируемой: величины. Частным, но довольно широко распространенным типом САК последовательного действия являются сканирующие САК для кон-
троля геометрической формы и размеров разнообразных объектов (например, механических деталей). Контролируемыми величинами в этом случае являются геометрические размеры объекта контроля в заданных направлениях. Описания границ нормы при этом мо- гут быть заданы в виде зон допустимых значений табличным спо- собом либо образцового предмета, а также линий допускаемых отклонений от его размеров. Рис. 14.15. Структурная схема цифровой сканирую- щей САК Остановимся на алгоритмах и структурах САК геометрических размеров с помощью телевизионного сканирующего устройства [14.2]. В телевизионном устройстве форма и размеры объекта кон- троля преобразуются в соответствующий рельеф электронного потенциала на светочувствительном слое оптико-электронного пре- образователя, например видикона. Исходный размер х связан с размером на светочувствительном слое х* через отношение рас- стояния L между объектом контроля и преобразователем к фокус- ному расстоянию F используемого оптического преобразователя х'(—хЬ/Р. На рис. 14.15 представлена структурная схема цифровой САК, в которой для измерения используется времяимпульсный метод измерения <1(х/г)>, описываемый алгоритмом цх/х*) [i(x*/oi;i(W))] ин. где N (t) —число импульсов, поступившее за время t. В этом алго- ритме может быть предусмотрена компенсация нелинейности пре- образования телевизионного устройства путем функционального преобразования I(7V(0]. Далее реализуется алгоритм <1 (DX, DC)> для каждой контролируемой величины и конечное суждение о со- стоянии объекта контроля выдается после оценки результатов кон- троля всех контролируемых величин: LO(/:=t+l) 1(Х/хО <1(л\/з,)>Х X<I(DX, DC)> co(i=n) “1 X Xw(xieM, х2еЛ^2, .... xne=ZVn)X XI(R: X<=N). В этом алгоритме решающее устройство выдает суждение о том, что геометрические размеры объекта контроля находятся в норме, если контроль всех составляющих дал такой же результат. Однако получение погрешностей измерения меньше ± 1 % ПРИ реализации этого алгоритма труднодостижимо. Для повышения
точности в таких системах применяется, во-первых, как это дел - ется в измерительных системах, введение одновременно с контро- лируемой величиной линейных единичных мер в виде штрихов (до- 15__100 линий на 1 см) или калиброванных волокон (диаметром' порядка 10—20 мкм) и счет количества единичных мер, уклады- вающихся в измеряемый размер, а во-вторых, измерение отклоне- ния размера от номинального значения. Рис. 14.16. Контроль отклонения геометрических размеров от нормы: а — раздвоенное изображение детали; б— сравнение с уставками Рис. 14.17. К сравнению размеров контролируемого изделия с зоной допуска, показанной пунктирными1 линиями Введение мер позволяет избавиться от погрешностей, связанных с искажениями при преобразовании геометрических размеров в оптоэлектронном устройстве, так как при таких измерениях при- меняется метод совпадения контролируемых величин и набора об- разцовых мер с получением результата измерения последователь- ным счетом. Однако в подобного рода телевизионных системах не удается полностью использовать разрешающую способность штри- ховых мер ввиду ограниченных возможностей получения достаточ- но высокого отношения полезного сигнала к шуму. Измерение отклонения контролируемого размера от номиналь- ного его значения может резко повысить точность измерения, осо- бенно при больших отношениях номинального значения к откло- нению от него. В некоторых случаях выделение отклонения дости- гается при использовании соответствующих оптических преобразо- ваний. Например, на рис. 14.16,а изображение относительно не- большой по размеру L контролируемой детали «раздваивается»- на известное расстояние Lo, затем сравнивается с допусками Л/|— Lo—L, а не L. На рис. 14.16,6 уставки Ci и с2 установлены отно- сительно номинального значения LH контролируемого размера.. С этими уставками сравнивается разность Д/2=£—LH. Используя указанные пути, удается выполнить контроль диа- метра тонкой проволоки (от 20 до 100 мкм, погрешность измере- ний меньше ±1,5%), ширины металлической полосы, нагретой до 1000 °C и движущейся со скоростью до 2,5 м/с, с погрешностью- меньше ±0,4% и т. п. При массовом контроле изделий сложной формы используется сравнение контуров контролируемого изделия и зоны допуска
(рис. 14.17). На экран одновременно проектируются линии, опре- деляющие зону допуска, -и контур контролируемого изделия. В за- висимости от количества импульсов, получаемых при пересечении •контура изделия, и линий, разделяющих зоны допусков, можно су- дить о состоянии контролируемого изделия. Так, при сканировании но направлению I-I (рис. 14.17) будет получено два и один им- пульс, говорящие, что слева изделие находится в допуске, а спра- ва-больше допуска («много»), по направлению II-1I внизу — два импульса («норма»), вверху — три импульса («мало»). Вместо линейного сканирующего луча может быть использова- на сле