8709

Структура вимірювально-керуючої системи на основі комп’ютера

Контрольная

Информатика, кибернетика и программирование

Структура вимірювально-керуючої системи на основі компютера План 1.1. Будова і призначення вимірювально-керуючої системи 1.2. Біологічні та технічні системи 1.3. Концепція побудови віртуального вимірювального комплексу 1.4. Програмна та ...

Украинкский

2013-02-17

147 KB

7 чел.

Структура вимірювально-керуючої системи на основі комп’ютера

План

1.1. Будова і призначення вимірювально-керуючої системи

1.2. Біологічні та  технічні системи

1.3. Концепція побудови віртуального вимірювального комплексу

1.4. Програмна та апаратна реалізація пристроїв спряження

1.5. Порівняння методів під’єднання пристроїв спряження

1.6. Інтерфейси

1.1. Будова і призначення вимірювально-керуючої системи

Вимірювально-керуюча система (ВКС) складається з комп’ютера (мікроконтролера), пристроїв зв’язку з об’єктом та власне об’єкта (зовнішнього середовища)

Призначення ВКС – аналіз стану об’єкта та цілеспрямований вплив на нього.

Рис.1.1. Вимірювально-керуюча система:

ВП – вимірювальні перетворювачі; ВКП – виконавчі пристрої;

АЦП – аналогово-цифровий перетворювач; ЦАП – цифро аналоговий перетворювач

Перетворення струм-напруга: падіння напруги на резисторі; U=IR.

В якості аналогового сигналу використовується електрична напруга або струм.

Об’єкт є джерелом і приймачем сигналів різноманітної фізичної природи. В той же час комп’ютер працює тільки з цифровими сигналами, тому потрібні пристрої зв’язку комп’ютера з об’єктом, які узгоджують сигнали комп’ютера і об’єкта.

Пристрої зв’язку поділяють:

1) Пристрої (системи) вводу  2) Пристрої (системи) виводу

Система вводу складається з 2 частин:

  1.  ВП (вимірювальний перетворювач) – перетворює сигнал довільної фізичної природи в електричний (фотодіод, термопара);

В якості вимірюваної величини використовують: переміщення, швидкість, прискорення, сила, витрати газу і рідини, рівень, тиск, температуру, освітленість.

  1.  АЦП – перетворює аналоговий сигнал у цифровий

Пристрої виводу містять також 2 частини:

  1.  ВКП (виконавчий пристрій) – може керувати об’єктом за сигналами комп’ютера (реле, яке вмикає двигун або нагрівач; маніпулятори)
  2.  ЦАП – перетворює цифровий сигнал в аналоговий

Поширені ВКП: індикатори, двигуни, клапани, маніпулятори.

Для керування ВКП використовують реле: 1) електромагнітні; 2) тиристори; 3) оптопари.

Система вводу/ виводу взаємодіє з комп’ютером через інтерфейс (LPT, ISA, COM, USB)

Існує 3 основних способи отримання даних від датчиків і передачі їх від місцевих регуляторів до пристроїв вищого рівня ієрархії:

  1.  Телеметрія (telemetry) – спосіб передачі даних від периферійних пристроїв до центрального в тому випадку, коли двонапрямлена передача незручна або неможлива (наприклад, у випадку космічних об’єктів). Всі дані передаються неперервно у наперед визначеному форматі.
  2.  Опитування (polling). Керуючий комп’ютер циклічно опитує стан сенсорів і періодично оновлює стан дані своєї внутрішньої бази даних.
  3.  Переривання (interurpt). Метод полягає у передачі тільки тих сигналів, які змінили свій стан. Цифрові змінні передаються при кожній зміні. Для аналогових змінних встановлюється  допустимий діапазон зміни параметра, при виході за межі якого значення змінної передається.

Якщо система управління має кілька рівнів, то дані, які можуть оброблятися на локальному рівні, не повинні передаватися на вищі рівні з метою запобігання перевантаженню вищих рівнів.

Рис. 1.2. Під’єднання сенсорів до комп’ютера через контролери

1.2. Біологічні та  технічні системи

Проводячи аналогію між ВКС і людиною можна порівняти ВП – органами чуттів (зору, слуху, нюху, смаку, дотику), а ВКП – з м’язо-руховою системою.

   По структурній побудові автоматизовані пристрої нагадують такі біологічні системи, як наприклад людина. На рис. 1.3. наведена аналогія між людиною і автоматом за методом отримання сигналів, їх обробки та накопичення, а також по перетворенню сигналів. Органам чуття людини відповідають датчики (сенсори) на автоматах (або роботах), а функції активних органів виконуються виконавчими пристроями. Аналогом мозку, як центрального пристрою для обробки сигналів, служить комп’ютер.

Рис.1.3. Аналогія між процесами отримання, обробки та перетворення сигналів в біологічних (людина) та технічних (автомат) системах

1.3. Концепція побудови віртуального вимірювального комплексу

Будь-який IBM-сумісний персональний комп'ютер (ПК), навіть малопотужний, може перетворитися на могутній вимірювальний комплекс, якщо його забезпечити одним або декількома аналоговими входами. Його клавіатура і екран представляють великі можливості в порівнянні з тими, які можуть дати мультиметр або осцилограф, а дисковод і принтер чудово підходять для реєстрації тривалих процесів.

Комп'ютер (зазвичай ІВМ-сумісний, настільний або портативний) як центральний орган будь-якої віртуальної вимірювальної системи виконує перш за все функції інтерфейсу «людина - об'єкт вимірювання». Екран будь-якого монітора дає набагато більше можливостей для індикації, ніж екран осцилографа, і, зрозуміло, екран монітора значно більший, за дисплей мультиметра. Клавіатура і особливо миша зручніші в роботі, ніж кнопки, а принтер - навіть простий - надає неоцінимі можливості для перенесення результатів на папір. Крім того, будь-який ПК володіє великою обчислювальною потужністю, яку можна використовувати для того, щоб застосувати різні види обробки результатів вимірювань: нормування (приведення шкали), лінеаризацію, часову прив'язку, обчислення статистичних показників і т.д.

1.4. Програмна та апаратна реалізація пристроїв спряження

Функції пристрою спряження можуть бути реалізовані частково програмно, а частково - апаратно. Пристрій спряження може містити процесор, програмований контролер або жорстку логіку. Кожний спосіб реалізації пристрою спряження має свої недоліки та переваги:

Рис.1.4. Програмна та апаратна реалізація пристроїв спряження

Ступені складності програмно-апаратної реалізації:

  1.  Апаратно інформація тільки зчитується і записується, обробка інформації відбувається програмно; апаратура: дільники, підсилювачі, мультиплексори, демультиплексори.
  2.  Апаратно реалізована жорстка логіка у поєднанні з програмною обробкою (наприклад, інверсію сигналу можна організувати апаратно і  програмно).
  3.  Контролер з пам’яттю (в пам’яті зберігається сигнал, якщо швидкість вводу і зчитування не однакова, наприклад, як у осцилографа). Можливо багатократно виводити сигнал, який зберігається в пам’яті (генератор сигналів довільної форми).
  4.  Контролер з мікропроцесором. Вбудований мікропроцесор виконує основну обробку сигналів, що розвантажує ЦП.

1.5. Порівняння методів під’єднання пристроїв спряження

До персонального комп’ютера зовнішні пристрої можуть бути під’єднані через стандартні інтерфейси:

  1.  Системна магістраль (шина) ISA
  2.  Паралельний порт (порт принтера, інтерфейс Centronics).
  3.  Послідовний інтерфейс RS-232C
  4.  Послідовна шина USB
  5.  Системні магістралі PCI, EISA
  6.  Мережева плата
  7.  Інфрачервоний порт
  8.  Звукова карта

Кожний з вказаних методів  має переваги і недоліки, а відповідно і сферу використання:

Синонім пристрою спряження – адаптер, контролер.

Якщо в контролері є мікропроцесор – автономний контролер.

Таблиця 1. Способи під’єдання зовнішніх пристроїв

Магістраль ISA

Паралельний порт (SPP)

RS-232C

USB

Звукова карта

Швидкість обміну

висока, 5 Мбайт/с

50 КБайт/c (двонаправлений байтовий режим)

20 Кбіт/с (15м)

1,5-480 МБіт/с

44кГц

Довжина і тип зв’язку

вбудована

до 2м; багатопровідний кабель

до 15 м; однопровідний кабель

до 5 м

до 5м

Корпус

не потрібний

потрібний

потрібний

потрібний

не потрібний

Живлення

не потрібне

потрібне

потрібне

не потрібне

не потрібне

Формат даних

паралельний, 8/16

паралельний, 8

послідовний

послідовний, 2

послідовно, стерео

К-сть пристроїв

до 6

1

1

до 127

2

1.6. Інтерфейси

Інтерфейс – це сукупність уніфікованих апаратних, програмних і конструктивних засобів, необхідних для взаємодії різних частин системи при умовах, передбачених стандартом і направлених на забезпечення електричної (U, I), конструктивної (плати, розніми, форм-фактори) та інформаційної (протоколи) сумісності пристроїв.

Апаратний інтерфейс – це сукупність портів, шин та електронних пристроїв для узгодження комп’ютера із зовнішнім пристроєм по розрядності шин даних, адреси і керування, величинам напруги і струму.

Програмний інтерфейс підтримує певний протокол передачі даних, реалізується як прикладні програми (у тому числі драйвери) для керування об’єктом (створені, наприклад, в середовищі Delphi).

Для зв’язку датчиків з системою керування використовують, зокрема,  стандартні індустріальні мережі. Кожна мережа має свої недоліки і переваги, апаратне забезпечення і протоколи передачі даних:

В багатьох підприємствах і установах для під’єднання сенсорів  використовують різні мережі, тому ефективною є автоконфігурація датчиків, зокрема в мережах цехів і приладів.

Автоконфігурації датчиків підтримує стандарт ІЕЕЕ 1451.2 (ай трипл І), який забезпечує незалежність датчика від мережі. В такому випадку використовують інтелектуальні датчики.

Основою ІЕЕЕ 1451.2 є 10-провідний інтерфейс між датчиком і вузлом мережі, який називається TII (Transduser Independent Interface) (Інтерфейс незалежний від користувача – ІНК). На об’єктах з розгалуженими мережами інтерфейс ІЕЕЕ 1451.2 дозволяє встановлювати будь-який модуль (STIM) в будь-який вузол (NCAP) мережі. Коли новий модуль перший раз під’єднується до нового вузла, то цифрова інформація модуля, включаючи його таблиці (TEDS), стає доступною для даної мережі. Мережі ідентифікує, який тип сенсора або виконавчого пристрою під’єднано, які його дані доступні й які розмірності його вхідних і вихідних даних (Вольти, градуси Цельсія та ін.), а також точність сенсора й інші параметри. Таке під’єднання сенсора замінює ручну ідентифікацію датчиків і реалізує принцип ”встановлюй і працюй”.

Література

  1.  Ан П. Сопряжение ПК с внешними устройствами. – М.: ДМК Пресс, 2001. – 320 с.
  2.  Гелль П. Как превратить компьютер в измерительный комплекс. – М.: ДМК, 1999. – 144 с.
  3.  Лапин А.А. Интерфейсы. Выбор и реализация. – М.: Техносфера, 2005. – 168 с.
  4.  Смит Дж. Сопряжение компьютеров с внешними устройствами. Уроки реализации. – М.: Мир, 2000. – 266 с.


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

57890. Розв’язування текстових задач 133 KB
  Сьогодні на уроці ми будемо розвязувати задачі за допомогою систем рівнянь; відпрацювати навички розвязування задач на прямолінійний рівномірний рух та використання графіків при розвязуванні задач.
57891. Додавання і віднімання натуральних чисел 450.5 KB
  Мета: узагальнити і систематизувати знання учнів з теми: «Додавання і віднімання натуральних чисел», повторити правила та закони додавання та віднімання; навчити учнів використовувати набуті знання до розв’язування задач...
57892. Розв’язування квадратних рівнянь 162.08 KB
  Вдосконалювати вміння і навички учнів отримані при вивченні теми «Квадратні рівняння», розвивати логічне мислення, культуру мовлення культуру записів, уважність, терпіння, уміння зосереджуватись, виховувати інтерес до математики, вміння оцінювати свої знання...
57893. Підсумковий урок по темі «Функція» 2.56 MB
  Кожна група отримує функцію яку повинна охарактеризувати за таким планом: а означення функції; б властивості; в графік. I група Лінійна функція II група...
57894. Звичайні дроби. Додавання та віднімання з однаковими знаменниками 208 KB
  Гра Хто запалить Олімпійський вогонь Серед цих 9 відповідей ви знайдете числа які допоможуть вам відповісти на запитання повязані із нагородами спортсменів України на Іграх Олімпіад та зимових Олімпійських іграх.
57895. Координатна площина 299 KB
  Скільки чисел треба вказати щоб задати положення точки на координатній площині Як називаються числащо задають положення точки на координатній площині Як називаються першедруге з чиселщо задають положення точки на координатній площині...
57896. Дійсні числа та дії над ними 239 KB
  Мета: освітня: розширити уявлення учнів про число числові множини; закріпити поняття натуральних цілих раціональних та ірраціональних чисел. Ввести поняття дійсного числа розкрити обєктивну необхідність вивчення дійсних чисел.
57897. Додавання натуральних чисел 1.78 MB
  Мета навчальна: удосконалення вміння виконувати додавання натуральних чисел, формувати вміння застосовувати переставну та сполучну властивості додавання, розв’язувати задачі на додавання натуральних чисел.
57898. Геометричні перетворення: паралельне перенесення, осьова симетрія, центральна симетрія 984.5 KB
  Навчити учнів виконувати перетворення фігур на площині застосовувати властивості геометричних перетворень до розвязування задач. Перетворення допомагають художникам правильно будувати композиції картин а хімікам досліджувати структуру кристалів.