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

7072. Моделирование разброса выходного параметра устройства РЭС и ЭВС методом статистических испытаний 174.95 KB
  Моделирование разброса выходного параметра устройства РЭС и ЭВС методом статистических испытаний Цель работы. Определить закон распределения выходного параметра устройства РЭС и ЭВС методом статистического моделирования (методом Монте-Карло). По пол...
7073. Разработка подачи стола продольно-строгального станка 438 KB
  Введение К современным металлорежущим станкам предъявляются следующие основные требования: возможно большая производительность при достаточной точности формы и размеров, а также чистоты поверхности обрабатываемых на станке изделий прост...
7074. Привод механизма передвижения нормального мостового крана 381 KB
  Механизм передвижения крана работает в следующих режимах: передвижение с грузом на расстояние со скоростью, торможение, стоянка секунд, движение в том же направлении без груза со скоростью на расстояние, торможение, стоянка секунд, движение с грузом в обратном направлении на расстояние с номинальной скоростью, стоянка секунд.
7075. Знакомство с методами проектирования программ на языках высокого уровня С++ 280 KB
  1. Цель работы Знакомство с методами проектирования программ на языках высокого уровня С++. 2. Задание на работу В программе калькулятор необходимо реализовать: пункт главного меню Справка, состоящий из двух подпунктов Информация об авторе...
7076. Методы проектирования программ на языках высокого уровня С++ 115.5 KB
  1. Цель работы Знакомство с методами проектирования программ на языках высокого уровня С++. 2. Задание на работу В программе необходимо реализовать: пункт главного меню Справка, состоящий из двух подпунктов Информация об авторе и Информация о п...
7077. Проектирование программ на языках высокого уровня С++ 172 KB
  Реализовать процедуру поиска страниц, свойство Caption или компонент типа TMemo которых содержит задаваемое слово.
7078. Изучение и компьютерное моделирование переходных процессов, возникающих при коммутациях в цепях первого порядка 121 KB
  Цель работы: Изучение и компьютерное моделирование переходных процессов, возникающих при коммутациях в цепях первого порядка, содержащих сопротивление и емкость либо сопротивление и индуктивность. В лабораторной работе необходимо исследовать зависим...
7079. Доходы от собственности 94.5 KB
  Доходы от собственности Одним из элементов доходов от собственности являются доходы по ценным бумагам. Ценная бумага - это форма существования капитала, отличная от его товарной, производительной и денежной форм, которая может передаваться вмес...
7080. Комплекс механизированных работ по лесовосстановлению площадей после ветровала 694.6 KB
  Комплекс механизированных работ по лесовосстановлению площадей после ветровала Введение В данной курсовой работе мною представлен комплекс механизированных работ по лесовосстановлению участка после ветровала. Ветровал - деревья поваленны...