Если у вас возникли сложности с курсовой, контрольной, дипломной, рефератом, отчетом по практике, научно-исследовательской и любой другой работой - мы готовы помочь.
Предоплата всего
Подписываем
ГЛАВА 4
ТЕХНИЧЕСКОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ ИЗМЕРИТЕЛЬНЫХ КАНАЛОВ ИИС
4.1. Устройства ввода-вывода измерительной информации.
Измерительным каналом называется совокупность технических средств и линии дистанционной передачи между первичным преобразователем, измерительным устройством и устройством отображения информации. В телеизмерениях, кроме того, водится понятие линии связи, число коммутаторов в которой определяется полосой пропускания линии и полосой частот измерительных каналов связи.
Между датчиком и устройством отображения информации обычно в канале связи присутствуют усилители слабых сигналов, аналогоцифровые преобразователи (АЦП), цифроаналоговые преобразователи (ЦАП), элементы сравнения, меры, нормы, коммутаторы (распределители сигналов, индикаторы и другие технические средства). Однако с появлением персональных компьютеров ряды фирм занялись созданием встраиваемых в компьютер измерительно-управляющих плат, позволяющих создавать измерительные информационные системы для научных исследований и небольших (до 256 каналов) производственных систем.
Это привело к тому, что встраиваемые в компьютер платы (Plugin-card) представлены практически для всех типов компьютеров.
Среди признанных производителей наиболее популярны такие фирмы как «National Instruments», «Computer Boards», «Advantech», «IOtech», «Data Translation», «L-Card». Признанным лидером, выпускающим самую широкую гамму устройств, является американская компания «National Instruments», которая обеспечивает:
Остановимся на устройствах ввода-вывода компании «National Instruments»(NI). Модульный принцип построения позволяет измерения физических, электрических, механических и акустических сигналов в пределах одной системы по 256 каналам. Кроме того, наличие АЦП на каждом модуле и индивидуальная изоляция обеспечивают быстрые, точные и безопасные измерения.
Встраиваемые платы ориентированы на использование серийно выпускаемых ПЭВМ настольного и портативного исполнения, имеющих ISA, EISA, PCI, PCMCIA и др. Plugin-card программно доступны для ПЭВМ, так же как и стандартные устройства. Их аппаратно-программное обеспечение позволяет выполнять в программном режиме различные функции измерения и управления, а также накопление информации, ее обработку и отображение как после эксперимента, так и в режиме реального времени. Встраиваемые Plugin-card различаются по своим функциональным возможностям и разделяются на многофункциональные платы ввода-вывода, платы цифрового вода-вывода, платы аналогового ввода-вывода, платы счетчиков-таймеров, платы специального назначения.
Основные технические характеристики некоторых многофункциональных Plugin-card компании «National Instruments» приведены в таблице 4.1. В графе «шины» указаны типы шин компьютера, в котором может использоваться данная плата. ШинаPCMCIA является стандартной шиной для портативных компьютеров типа Notebook.
Таблица 4.1
|
Наименование (изготовитель) |
Ши-на |
Аналоговые выходы (АЦП) |
Часто-та пре- образования, кГц |
Разре- шение АЦП, бит |
Вход- ной диапа- зон, В |
Анало- говые выходы (L,АП) |
Разре- шение АЦП, бит |
Цифро- вые входы/ выхо-ды |
Счет-чик/ тай-мер |
Коэф- фицент усиления |
|
PCL- 818HD («Advantech») |
ISA |
16 – единичные 8-дифференциальные |
100 |
12 |
0-10 |
1 |
12 |
32 |
- |
- |
|
Продолжение табл. 4.1 |
||||||||||
|
MIO-6061E (NI) |
ISA |
64 – единичные 32 - дифференциальные |
500 |
12 |
±5,±10, 0-10 |
2 |
12 |
8 |
2 |
1-100 |
|
MIO-6011E (NI) |
PCI, ISA |
16 – единичные 8 - дифференциальные |
20 |
16 |
±10, 0-10 |
2 |
12 |
8 |
2 |
1-100 |
|
MIO-6070E (NI) |
PCI, ISA |
16 – единичные 8 - дифференциальные |
1250 |
12 |
±10, ±5 |
2 |
12 |
8 |
2 |
1-100 |
|
DAQ Card –AI - 16E – 4 (NI) |
PCM- CIA |
16 – единичные 8 - дифференциальные |
500 |
12 |
±10, ±5, 0-10 |
- |
- |
8 |
2 |
1-100 |
|
Продолжение табл. 4.1 |
||||||||||
|
PCI-6031E PXI-6031E (NI) |
PCI PXI/ CPCI |
64 – единичные 32 - дифференциальные |
100 |
16 |
±10, 0,10 |
2 |
16 |
8 |
3 |
1-100 |
В табл. 4.2 – 4.4 приведены примеры и основные характеристики той же компании.
Таблица 4.2
|
Наименование |
Шина |
Число каналов |
Скорость обмена |
Стандартная технология или стандартный сигнал |
|
PCI-DIO-32HS (N1) |
PCI |
32 |
76 Мб/с |
ТТЛ |
|
PCL-722 («Advantech») |
ISA |
144 |
- |
ТТЛ |
|
PCL-731 («Advantech») |
ISA |
48 |
1,8 мГц |
ТТЛ с оптоизоляцией |
|
DAQCard-DIO-24 (N1) |
PCMCIA |
24 |
420 кГц |
ТТЛ |
|
PCI-6527(NI) |
PCI |
24 |
- |
0-28 В на входе, 0-60 В на выходе |
|
PCI-6527 (N1) |
PXI/CPCI |
|||
|
PCI-6508(NI) |
PXI/CPCI |
96 |
- |
ТТЛ и КМОП |
Таблица 4.3
|
Наименование (изготовитель) |
Шина |
Число ЦАП |
Частота преобра-зования, кГц |
Разре-шение, бит |
Диапазон по напря-жению, В |
Диапазон по току, мА |
Число цифро-вых каналов |
|
АТ-АЛ-10(NI) |
ISA |
10 |
300 |
12 |
±10 0-10 |
420 |
8 |
|
АО-2DC (NI) |
ISA, PCMCIA |
2 |
300 |
12 |
±5, 0-10 |
0-20 |
16 |
Таблица 4.4
|
Наименование или серия |
Шина |
Число счетчиков |
Частота, МГц |
Разре-шение, бит |
Число цифровых стандартов |
Стандарт-ная техноло-гия |
|
NI6602 (NI) |
PCI, PXI/CPCI |
8 |
7 |
32 |
32 |
ТТЛ, КМОП |
|
PCL-836 («Advantech») |
ISA |
6 |
10 |
16 |
32 |
ТТЛ, КМОП |
Широкая номенклатура плат специального назначения включает в себя такие устройства, как платы динамического анализа сигналов и идентификации объектов, платы управления шаговыми двигателями и робототехническим оборудованием, платы ввода и обработки изображений, платы мультиметров, осциллографов, генераторов и т.п.
Для работы в системах, содержащих несколько Plugin-card, необходимо организовать их синхронизацию. Платы не всех производителей имеют для этого аппаратную и программную поддержку. Наиболее проработанные решения реализованы в платах производства «National Instruments» в виде стандартной шины RTSI Bus, объединяющей специальным кабелем все Plugin-card, входящие в систему.
4.2 Интерфейсы измерительных информационных систем
Интерфейс ИИС – это совокупность цепей, объединяющих различные устройства и алгоритмы, определяющая порядок передачи информации между этими устройствами. Цепи интерфейса разделяют на три группы: информационные, адресные и управляющие, обеспечивающие информационную, электрическую и конструктивную совместимость.
Различают программные и физические интерфейсы. Информация передается в виде кодов определенного числа или словами. Для различия байтов данных, команд и адресов используются осведомительные сигналы. Для инициирования передач, синхронизации работы устройств и завершения передачи служат управляющие сигналы.
Основной характеристикой интерфейса является скорость передачи
информации, которая зависит от алгоритма передачи и технических
характеристик цепей связи. С целью модульного принципа построения
систем разработаны стандартные интерфейсы, обеспечивающие
информационную, электрическую и конструктивную совместимость
различных устройств.
Структуры интерфейсов бывают одно-, двух- и более ступенчатыми с возможными вариантами исполнения: цепочная, радиальная, магистральная и радиально-магистральная, каждая из которых может быть с централизованным или децентрализованным управлением (рис. 4.1)
Обмен информацией может быть осуществлен синхронным и асинхронным методами. Синхронная передача и прием сигналов производится в фиксированные моменты времени, темп обмена информацией при асинхронном методе определяется сигналом квитирования. Этот метод особенно эффективен при обмене информацией с различным быстродействием функциональных блоков. В ИИС используются интерфейсы первого поколения такие, как КАМАК и приборный (ГОСТ 26.003-80, IЕЕЕ-488, МЭК 625.1, GPIB), которые сменяются интерфейсами второго поколения.
Интерфейс GPIB предназначен для объединения в единую измерительную систему серийно выпускаемых цифровых приборов (мультиметров, частотомеров, осциллографов и т.п.) и компьютеров. В качестве объединительной информационной магистрали используется специальный гибкий кабель. На рис. 4.2 показана система, собранная с использованием приборного интерфейса.
В соответствии с ГОСТ 26.003-80 соединение программируемых и непрограммируемых электронных измерительных устройств, применяемых в лабораториях или промышленных условиях, должно осуществляться через параллельный интерфейс периферийных устройств – многопроводный магистральных канал общего пользования (КОП), схема подключения и структура которого приведены на рис. 4.2
Приборный интерфейс предназначен для организации взаимодействия (рис. 4.2) программируемых и непрограммируемых приборов и построения на их основе измерительных информационных систем. Соединение приборов осуществляется через многопроводный магистральный канал общего пользования (КОП) длиной не более 20 м. Число приборов подключаемых к магистрали не должно превышать 15. Обмен информацией между приборами происходит под управлением контроллера. Всего регламентируется 10 интерфейсных функций. Каждая функция позволяет прибору выполнять прем, передачу и определенную обработку сообщений. Функции могут быть реализованы как программно, так и аппаратно. Общее число адресов преемников и источников информации в системе не должно превышать 31 при однобайтовой и 961 при двухбайтовой адресации. Максимальная скорость передачи информации КОП – 106 байт/с.
Для функционирования системы на базе приборного интерфейса GPIB необходимо в каждом приборе иметь ин терфейсные карты, реализующие одну или несколько приборных функций (источник, приемник, контроллер), характерных для данного прибора. В компьютере должна стоять плата, выполняющая все эти функции, так как компьютер работает как управляющее устройство и должен выполнять все операции. В настоящее время практически все зарубежные и отечественные цифровые измерительные приборы мо гут поставляться с такими картами, поэтому при выборе и заказе при боров для ИИС необходимо оговаривать наличие интерфейса GPIB для зарубежных и КОП для отечественных изделий.
Интерфейсные платы GPIB для компьютеров, поддерживаемые со временными программными пакетами, выпускаются в основном двумя фирмами: «Hewlett-Packard» (HP) и «National Instruments». В табл. 4.5 приведены некоторые типы и характеристики интерфейсных карт GPIB для персональных настольных и портативных компьютеров.
Таблица 4.5
|
Тип шины |
Тип платы |
Техноло гия Plug&Play |
Максималь ная скорость по IЕЕЕ-488.1 |
Максималь ная скорость по HS488 |
Программное обеспечение |
|
ISA, PCMCIA |
AT-GPIBHTsIT (NI) |
Heт |
1,5 Мбайт/с |
1,6 Мбайт/с |
DOS. Windows |
|
ISA, PCMCIA |
HP 82335 В (HР) |
Нет |
355 Кбайт/с |
— |
DOS. Windows |
|
PCI |
PCI GPIB (NI) |
Да |
1,5 Мбайт/с |
7,7 Мбайт/с |
Windows NT/95 |
|
PCI |
HP 82350 A (HP) |
Нет |
750 Кбайт/с |
— |
Windows NT/95 |
|
PC Ethernet |
GPIB-ENET(NI) |
— |
50 Кбайт/с |
— |
Windows NT/95/3/1 |
|
LAN/HP-IB |
HP E2050A (HP) |
— |
50 Кбайт/с |
— |
HP-UX, Windows N1/95 |
При выборе платы следует учитывать индивидуальные характери стики шины, используемой в Вашем компьютере, и требования к пара метрам системы в целом и согласовывать их с параметрами интерфейсной платы. Не имеет смысла использовать более дорогие платы, обеспечивающие высокую скорость обмена, если в системе нет высокоскоростных источников сигналов.
Примерами наиболее распространенных последовательных интерфейсов периферийных устройств могут служить интерфейсы RS-232C, RS-423, RS-422. В основе интерфейсов RS-232C, RS-422 лежит однопроводная несогласованная линия (рис. 4.3), по которой информация передается двуполярными посылками со скоростью до 20 КБод (RS-232C) и 300 КБод (RS-423) при длине линии не более 15 и 600 м соответственно. В однопроводной линии для передачи сигнала используется один провод, напряжение на котором сравнивается в приемнике с напряжением линии «общая земля», общей для всех прочих сигнальных проводников. Этот способ построения линии наиболее прост, но имеет существенный недостаток: на информационный сигнал накладываются помехи в линии. Так как помехи в линии пропорциональны длине линии связи и ширине полосы рабочих частот, то в интерфейсах RS-232C и RS-423 наложены ограничения на оба параметра (табл. 4.6)
Таблица 4.6
|
Технические характеристики |
Интерфейс |
||||
|
КОП (ГОСТ 26.003-80) |
RS-232 |
RS-423 |
RS-422 |
MIL-STD- 1553 |
|
|
Скорость передачи информации, Кбод |
8-103 |
20 |
300 |
104 |
125 |
|
Длина магистрали |
20 |
15 |
600 |
1200 |
100 |
|
Число линий интерфейса |
16 |
1 |
1 |
2 |
2 |
|
Продолжение табл. 4.6 |
|||||
|
Способ обмена информацией |
Параллель ный |
Последова тельный |
Последова тельный |
Последова тельный |
Последова тельный |
|
Режим обмена |
Полу дуплексный |
Симп лексный |
Симп лексный |
Полу дуплексный, симп лексный |
Симп лексный, полу дуплексный, мульти плексный |
|
Число подключаемых периферийных устройств |
15 |
1 |
1 |
1(10) |
31 |
Таблица 4.7
|
Технические характеристики |
Интерфейс |
||
|
RS-232 |
RS-423 |
RS-422 |
|
|
Линия |
Однопроводная, несогласованная |
Однопроводная, несогласованная |
Дифференциальная, согласованная |
|
Максимальная длина линии, м |
15 |
600 |
1200 |
|
Максимальная скорость передачи информации, КБод |
20 |
100 (при 12 м) |
104 (при 12 м) |
|
Выходное напряжение передатчика при работе на нагрузку, В |
От ±5 до ±15 при Rн=3/7 кОм |
±3,6 |
±2,0 |
|
Скорость нарастания сигнала на выходе передатчика, В/мкс |
<30 |
Зависит от длины кабеля и частоты переключения |
Не ограничена |
|
Продолжение табл. 4.7 |
|||
|
Выходное сопротивление приемника, кОм |
3-7 |
≥4 |
≥4 |
|
Максимальное значение порогового напряжения приемника, В |
±3 |
±0,2 |
±0,2 |
|
Максимально допустимое входное напряжение приемника, В |
±25 |
±12 |
±12 |
Например, в интерфейсе RS-423 при скорости передачи информации 3 КБод длина линии может достигать 1200 м, а при скорости 300 КБод – всего лишь 12 м. Кроме того, для уменьшения взаимных помех ско рость нарастания фронтов передаваемых сигналов ограничивается до 30 В/мкс.
Интерфейс RS-422 распространяется на симметричные диффе ренциальные линии (витая пара, радиочастотный кабель), обладающие более высокими характеристиками, чем однопроводные линии. В частности по линии интерфейса RS-422 возможна передача информации со скоростью до 100 КБод на расстояние до 1200 м и со скоростью 10 МБод на расстояние до 12 м. Дифференциальный режим (рис. 4.3.б) достигается применением дифференциального передатчика, согласованной линии связи (в виде витой пары или радиочастотного кабеля) и дифференциального приемника. Сигнал передатчика появляется на входе приемника в виде разностного напряжения, тогда как помехи в линии остаются синфазными. Благодаря этому дифферен циальный приемник с достаточным диапазоном подавления синфазной составляющей может отличать сигнал от помехи. К тому же интерфейс RS-422 позволяет наряду с симплексным режимом передачи (рис. 4.3.б) организовать полудуплексный режим передачи (рис. 4.3.в) и мультиплексный режим последовательной передачи информации. В последнем случае, применяемом для связи между периферийными устройствами микропроцессорных систем, для передачи информации в одном направлении используются две дифференциальные симметричные линии связи, например витые пары. В исходящем направлении включены один передатчик и приемников. Такой режим позволяет обслуживать до 12 абонентов. Основные трудности заключаются в обеспечении хорошего заземления системы. Основные параметры последовательных интерфейсов периферийных устройств приведены в табл. 4.7
Говоря о внешнем интерфейсе периферийных устройств, в частности о последовательном интерфейсе в широком смысле слова, обычно под термином «интерфейс» понимают не только функциональное назначение линии связи и электрические параметры передаваемых сигналов, но и состав аппаратуры, используемый для реализации связи между рядом периферийных устройств с помощью последовательной линии связи, принципы организации обмена информации, язык обмена информацией, организацию контроля передачи информации. При этом в общем случае различают несколько уровней ин терфейса, часть которых реализуется аппаратно, а часть – программно.
Состав аппаратуры для физической реализации внешнего после довательного интерфейса периферийных устройств включает (рис. 4.4) собственно линию последовательной передачи информации (одиночный проводник, витая пара, радиочастотный кабель, волоконно-оптический кабель) и контроллеры устройств, которые предназначены для управления обменом информацией, осуществления сопряжения с линией передачи информации, осуществления контроля за передачей информации, состоянием устройств, участвующих в связи, самоконтроля. На рис. 4.4 ПУi и КПУi – i периферийное устройство и его контроллер для связи с внешним последовательным интерфейсом; микро-ЭВМ и К-центральная микро-ЭВМ ИУВС и ее контроллер для связи с внешним интерфейсом:
МИi и МИ1 – магистральный (внутримашинный) интерфейс периферийного устройства и микро-ЭВМ соответственно.
Обмен информацией осуществляется в большинстве случаев передачей сообщений, состоящих из командных, информационных и ответных слов. При этом используется определенный язык передачи этих слов. Типичное слово синхронного протокола с битовой организацией содержит начальный флаг, ад ресное, управляющее и информационные поля, проверочную последова тельность слова и завершающий флаг.
Для передачи слов с битовой организацией широкое применение находят код без возвращения к нулю, код без возвращения к нулю с инверсией, код Манчестер II.
Код без возвращения к нулю (рис.4.5.а) отображает последователь ность двоичных битов последовательностью уровней напряжения, постоянных на интервале передаваемого двоичного разряда.
В коде без возвращения к нулю с инверсией «1» передается отсутствием изменения уровня предшествующего бита, а «0» – инверсией этого уровня (рис.4.5.а). Таким образом, «1» и «0» в этом коде могут быть представлены в одной последовательности как низким, так и высоким уровнями напряжения, причем длинная последовательность «1» образует постоянный уровень, а длинная последовательность «0» – биполярный периодический сигнал.
Код Манчестер II отображает каждый бит двоичной последовательности переходом уровней: если низкий уровень сменяется высоким, то передается «О», если высокий уровень сменяется низким – «1». Переходы имеют место в середине временного интервала, отведенного каждому двоичному биту (рис.4.5.а). Код Манчестер II легко получается из кода без восстановления нуля, если последний подать на один вход схемы логической равнозначности, на второй вход которой поступает синхросигнал в виде меандра с периодом, равным периоду кода без возвращения к нулю, и синфазный с ним (рис. 4.5.б). Код Манчестер II, в частности, применен в интерфейсе стандарта MIL-STD-1553, используемом при создании бортовой самолетной локальной сети. Он обладает большей помехозащищенностью по сравнению с кодом без возвращения к нулю, поскольку, во-первых, занимает полосу частот от половины до полного значения тактовой частоты, в то время как код без воз вращения к нулю – от постоянной составляющей до половины тактовой частоты (отсутствие постоянной составляющей при кодировании по коду Манчестер II позволяет использовать более простые полосовые усилители переменного тока, применять подавление низкочастотных шумов); во-вторых, использование кода Манчестер II дает возможность обнаружения ошибки в каждом передаваемом разряде, если использовать ту особенность, что информационный переход имеет место в середине интервала, соответствующего биту. Поскольку присутствие высокого уровня или низкого уровня в течение всего интервала бита недопустимо, появление таких ситуаций может свидетельствовать о наличии ошибок. Декодирование «0» («1») при передаче «1» («0») в манчестерском коде может произойти только тогда, когда из-за помехи инверсия логических уровней будет иметь место в каждой половине интервала одного бита, однако вероятность одновременной инверсий фазы в пределах одного бита невелика.
Применение кода Манчестер II, наконец, позволяет уменьшить стоимость линии за счет исключения провода для передачи тактовых импульсов в интерфейсе, поскольку информационная последовательность в коде Манчестер II содержит в себе как тактовые, так и информационные сигналы. Более того, при применении кода без возвращения к нулю не исключено возникновение фазовых сдвигов между информационными и синхронизирующими последовательностями. Обладая свойством самосинхронизации, код Манчестер II позволяет обойти эти проблемы.
4.3 Открытые протоколы промышленных сетей
Сегодня на рынке промышленных сетей существует несколько десятков открытых протоколов – HART, Foundation Fieldbus, Profibus, Interbus, CAN, LON, As-i, ControlNet и др. Так как не существует одной совер шенной технологии, всегда будет несколько возможных решений. Коммуникационные стандарты для промышленных предприятий не могут быть созданы по принципу «один подходит всем». Каждый из них – это лишь инструмент, который имеет свои области применения.
Сравнение технологий неизбежны, особенно когда вы пытаетесь выбрать подходящее для вашего произ водства решение. Классификация протоколов позволит вам сделать правильный выбор. В зависимости от об ласти использования весь спектр промышленных сетей можно разделить на три уровня.
Стандартная сеть Foundation Fieldbus. Сеть образована ассоциацией Fieldbus Foundation. Эта ассоциация опубликовала и поддерживает стандарт сети и производит сертификацию устройств на соответствие стандарту. В неё входят порядка 90% производителей средств и услуг в области ав томатизации. Сейчас эта сеть включена в международный стандарт IEC 61158, принятый в 1999 г. и по многим далее перечисленным её свойствам может считаться наиболее перспективной стандартной полевой сетью.
Сеть обеспечивает связь контроллеров с выносными блоками ввода-вывода и с интеллектуальными приборами при учете специфики работы приборов во взрывоопасной среде. По сети передается питание от контроллера к приборам, подключенным к сети.
Для более полного и рационального использования всё возрастающей мощности микропроцессоров, встраиваемых в интеллектуальные приборы, применительно к сети Foundation Fieldbus, разработана специальная идеология Fieldbus Foundation, которая ставит своей целью перенос типовых алгоритмов переработки измерительной информации (фильтрации, масштабирования, линеаризации и т. п.), регулирования (стабилизации, слежения, каскадного управления и т. п.), логического управления (пуска, останова, блокировки группы механизмов и т. п.) на самый нижний уровень управления: уровень интеллектуальных датчиков и исполнительных механизмов. В соответствии с этой идеологией в стандарт Foundation Fieldbus внесены специальные правила работы и обмена информацией между интеллектуальными приборами в сети при учёте, что каждый прибор в сети, кроме обычных функций аналого-цифрового или цифро-аналогового преобразований может реализовывать типовые функции контроля и управления.
Базовый вариант сети – Foundation Fieldbus HI (FF HI); он реализует безопасную работу приборов во взрывоопасной среде. Кроме него суще ствует вариант Foundation Fieldbus H2 (FF H2), близкий по характеристикам к варианту FF HI, в котором специфика работы приборов во взрывоопасной среде не учитывается.
Основные характеристики сети FF HI: топология сети – шина или дерево; физически передача данных в сети осуществляется через порт RS-485 и"экранированную витую пару; длина линии передачи – 1,9 км; скорость передачи данных – 31,25 Кбита/с; число подключаемых к сети устройств до 32; протокол сети использует три уровня по модели OSI: первый (физический уровень), второй (канальный уровень) и седьмой (прикладной уровень), а также добавочный пользовательский уровень, на котором фиксируется ряд важных функций и правил (см. далее); метод доступа к сети – маркер; управление сетью может быть распределено между несколькими активными планировщиками связей, которые могут резервировать друг друга; периодический цикл передачи информации с учетом отработки в приборах контуров управления составляет 50 мс; аналогично HART протоколу здесь используется понятие "статус", которое каждый цикл может передаваться каждым прибором по сети вместе с его данными.
Как указано ранее, в стандарт FF HI введен пользовательский уровень. Он определяет связи, с помощью которых оператор может взаимодейст вовать с приборами либо через, так называемую, серию блоков, либо через описатели приборов.
Через серию блоков пользователь может определять работу приборов по вводу и выводу сигналов, по их преобразованию, по реализации функций контроля и управления. Функциональные блоки могут при их соответствующем соединении друг с другом реализовывать простейшие цепи управления как в отдельном приборе, так и распределено через сеть в нескольких приборах.
Стандартная сеть PROFIBUS. Данная сеть (международный стандарт IEC 61158, принят в 1999 г.) получает всё более широкое распространение среди европейских производителей средств автоматизации. Специальная организация пользователей сетей PROFIBUS PUO (Profibus User Organization) проводит сертификацию устройств на соответствие утвержденному стандарту PROFIBUS.
На полевом уровне сеть поддерживает два вида протоколов: протокол Profibus DP для быстрой коммуникации контроллеров с удаленными блоками ввода-вывода и с интеллектуальными приборами; протокол Profibus PA, который используется для тех же целей во взрывоопасных средах. Последний имеет иную физическую реализацию: безопасное низковольтное исполнение. По сети может передаваться питание от контроллера к приборам, подключенным к сети.
Основные характеристики сети PROFIBUS: физически передача данных в сети осуществляется через порт RS-485 и экранированную витую пару, либо через оптоволоконный кабель; сеть обеспечивает любые виды соединений (шина, дерево, звезда, кольцо); метод доступа к сети – ве дущий/ведомый; в сети возможно наличие нескольких ведущих устройств, общающихся между собою с помощью маркера; по модели OSI протокол сети использует первый (физический), второй (канальный), седьмой (прикладной) уровни; общее число устройств на сети до 126, из которых 32 узла могут быть ведущими; скорость передачи данных на витой паре варьируется от 9,6 Кбит/с до 1,5 Мбита/с (при протоколе Profibus PA скорость передачи данных на витой паре до 31 Кбит/с); длина сети на витой паре до 1,2 км или до 4,8 км с повторителями, на оптоволокне – до 23 км.
Передаваемые устройствами диагностические сообщения имеют три уровня иерархии: диагностика всего устройства (например, упало напряжение питания), диагностика модуля устройства (например, отказал восьмиканальный цифровой модуль выходных сигналов), диагностика канала (например, в канале А модуля Б не проходит сигнал). В сети реализована коррекция ошибок: в любой посылке данных три ошибочных бита будут обнаружены, а одни ошибочный бит может быть восстановлен.
HART-протокол (Highway Addressable Remoute Transduser).
Протокол HART разработан фирмой Rosemount в середине 80-х годов. Он занимает промежуточное положение между аналоговой и полностью цифровой передачей данных и широко известен как промышленный стандарт для усовершенствования токовой петли 4...20 мА до возможности цифровой коммуникации. При этом сохраняется полная совместимость и надежность существующих аналоговых линий 4...20 мА. Для передачи цифровой информации HART-протокол использует принцип частотной модуляции.
HART построен по принципу «ведущий/ведомый», то есть полевое устройство отвечает по запросу системы. Протокол допускает наличие двух управляющих устройств: ПК управляющей системы и коммуникатора. Существует два режима работы датчиков, поддерживающих обмен данными по HART-протоколу.
Режим передачи цифровой информации одновременно с аналоговым сигналом представлен на рис. 4.6. Обычно в этом режиме датчик работает в аналоговых ИИС и ИИУС, а обмен по HART-протоколу происходит посредством портативного контроллера – HART-коммуникатора.
Стандартная сеть с HART-протоколом. Наиболее широко распространенный, достаточно простой, давно устоявшийся и поддерживаемый подавляющим большинством фирм, выпускающих как контроллеры, так и интеллектуальные приборы – протокол HART был разработан в середине 80-х годов и стандартизировал в Америке. Протокол основан на аналоговой 4...20 мА технологии. Он нацелен на связь контроллера с интеллектуальными приборами и имеет два варианта их связи.
При первом варианте реализуется связь каждого прибора с контроллером по отдельной паре проводов, по которой могут проходить как аналоговый (например, 4...20. мА), так и цифровые сигналы. Последние содержат дополнительную информацию о работе прибора: диапазон и единицы измерения, дату калибровки, результаты самодиагностики и т. д.
При втором варианте связи реализуется соединение ряда приборов с контроллером по одной паре проводов, в этом случае по паре проводов могут проходить только цифровые сигналы. Питание прибора осуществляется от блока питания в контроллере по этой же паре проводов.
Основные характеристики сети: метод доступа – ведущий/ведомый (в сети может быть до двух ведущих узлов); физическая среда передачи – по следовательный порт RS-232C и витая пара; топология сети – звезда (при соединении к контроллеру датчиков с аналоговыми выходными сигналами) или шина (при цифровых выходных сигналах датчиков); режимы работы – асинхронный (когда ведущий узел посылает запрос, а ведомый – ответ) или синхронный (когда ведомые узлы непрерывно передают свои данные ведущему узлу); при шинной архитектуре к сети может быть подключено 15 ведомых узлов (обычно подключают до восьми приборов); длина линии связи до 1500 м; скорость передачи данных 1200 бит/с; протокол HART реализует по общей модели числа, наименования и состава уровней любого протокола – модели OSI первый (физический), второй (канальный), седьмой (прикладной) уровни; команды от ведущих узлов могут быть трех видов: универсальные на все ведомые узлы, типовые на многие ведомые узлы специфические на конкретные ведомые узлы.
Каждое сообщение от прибора может содержать информацию двух типов: текущие данные и статус прибора. Статус определяет оперативное состояние прибора: так называемый «нормальный последовательный статус» когда данные от него могут быть использованы для вычислений и управления; «нормальный непоследовательный статус», когда данные от него корректны но с прибором связана какая-то тревога; «неопределённый статус», когда данные не полностью корректны, но всё же могут быть использованы; «плохой статус», когда данные не могут быть использованы.
При этом можно удаленно осуществлять полную настройку и кон фигурирование датчика. В многоточечном режиме датчик передает и получает информацию только в цифровом виде. Аналоговый выход автоматически фиксируется на минимальном значении 4 мА (только для питания устройства) и не содержит информации об измеряемой величине. Информация о переменных процессах считывается по HART-протоколу (рис. 4.7)
К одной паре проводов может быть подключено до 15 датчиков. Все приборы в многоточечном режиме имеют свой уникальный адрес от 1 до 15 и обращение к каждому идёт по соответствующему адресу. Коммуникатор или система управления определяет все датчики, подключенные к линии, и может работать с любым из них.
В качестве среды передачи сигнала используется кабель типа экранированная витая пара. В опасных зонах могут быть использованы барьеры искробезопасности, которые пропускают HART-сигнал. В HART-протоколе максимальная длина кабеля связана с эквивалентным сопротивлением сети и максимально допустимой емкостью системы. В табл. 4.8 представлена информация о максимальной длине кабеля как функции от числа приборов, подключенных к цепи и удельной емкости кабеля. Максимальная длина кабеля в многоточечном режиме (сечение кабеля
1, 02 мм)
Таблица 4.8
|
Число приборов |
Максимальная длина кабеля, км, при удельной ёмкости кабеля: |
|||
|
65 нФ/км |
95 нФ/км |
160 нФ/км |
225 нФ/км |
|
|
1 5 10 15 |
2,8 2,5 2,2 1,8 |
2,0 1,8 1,6 1,4 |
1,3 1,1 1,0 0,9 |
1,0 0,9 0,8 0,7 |
Зачастую в аналоговой ИИС или ИИУС присутствует множество интеллектуальных приборов, работающих в режиме совместимости с токовой петлей 4…20 мА. В этом случае удаленная настройка и конфигурирование датчиков при помощи HART-коммуникатора или HART-модема требует последовательного подключения коммуникационного устройства к каждой линии 4…20 мА, идущей от соответствующих приборов. Для решения поставленной задачи предлагается использовать HART-мультиплексор (например, Метран-670). При таком подходе приборы продолжают передавать измерительную информацию в систему по токовому выходу 4…20 мА, а их конфигурация может быть изменена с одного цифрового выхода управляющей системы. При этом можно объединить в сеть около 500 приборов (например, 30 мультиплексоров, соединенных по RS-485, 16 каналов каждый).
Согласно семиуровневой модели взаимодействия открытых систем (модель OSI), HART-протокол реализует следующие три уровня: физический, канальный и прикладной. Физический уровень описывает характеристики сигнала и среду передачи данных. Для передачи цифровой информации HART-протокол версии 5.0 использует метод частотной модуляции. В режиме тока, высокочастотная HART-составляющая накладываются на аналоговый измерительный сигнал 4...20 мА.
Двоичные значения передаются со скоростью обмена данными 1200 Бод. Логическая "1" представлена одиночным циклом 1200 Гц, а логический "0" приблизительно двумя циклами 2 200 Гц. Такой выбор частот для формирования сигнала и скорости передачи данных соответствует телефонному стандарту Вell 202 (кодировка сигнала методом частотного сдвига) в полудуплексной форме. HART-сигнал обеспечивает двухстороннюю цифровую коммуникацию. HART-протокол позволяет управляющей системе получить от удаленного устройства два – четыре цифровых сообщения в секунду (рис. 4.8).
HART-сообщение кодируется как последовательность 8-разрядных байтов, которые передаются с использованием стандартного UART (Universal Asynchronous Receiver/Transmitter – Универсального Асинхронного Приёмника/Передатчика). К каждому байту добавляется стартовый бит, бит чётности и стоп-бит (рис. 4.9).
Это позволяет принимающему устройству UART распознавать начало каждого сивола и обнаруживать ошибку в разрядах из-за помех. В HAR1 -протоколе предусмотрена проверка на чётность. Таким образом, одиночный 8-разрядный байт посылается как следующая последовательность битов (рис. 4.9): один начальный бит (0), 8 битов информации, один бит четности и один конечный бит (1). Бит чётности верен (1), если количество единиц в информационном байте чётное.
Канальный уровень разделен на подуровни:
Обмен информацией между HART-объектами выполняется в виде кадров. Кадр ограничен комбинацией символов: преамбулы и ограничителя, которые определяют начало кадра, и полем счётчика байт, которое оп ределяет конец кадра (рис. 4.10). Всем кадрам, передаваемым HART-приборами, предшествует определенный набор шестнадцатеричных символов. Эти символы называются преамбулой и обусловлены задачами физического уровня для синхронизации приемника.
Все части кадра, включая ограничитель, обеспечены двойной проверкой на чётность: в каждом передаваемом байте и контрольным байтом.
На прикладном уровне осуществляется взаимодействие с пользователем. Здесь описываются команды HART-протокола, используемые для работы с первичными HART-устройствами. Существует три типа HART команд: универсальные, общие и специальные (рис.4.11)
Универсальные команды поддерживают все полевые HART-приборы. Эти команды обеспечивают интероперабельность между продуктами от разных производителей и доступ к наиболее общей информации, одинаковой для всех полевых приборов: переменные процесса, производитель, модель и маркировка.
Общие команды представляют функции, которые выполняют большое число полевых устройств. Эти команды являются необязательными. Они включают такие действия, как изменение диапазона, выбор единиц измерения и самотестирование. Обычно полевое HART-устройство поддерживает 12 – 15 общих команд.
Специальные команды различны для каждого прибора. Эти команды представляют уникальные функции устройства или способы доступа к данным и назначаются производителем.
Однако без подробного технического описания каждого полевого устройства трудно создавать программное обеспечение, использующее функции прибора в полном объеме. Эту возможность обеспечивает язык описания устройства (Device Description Language). Производители полевого оборудования применяют DDL для создания описания устройства (DD) со всеми уникальными характеристиками приборов. Таким образом, DDL-совместимая система может использовать все возможности устройства, включая поддержку специальных команд. Центральная база данных всех описаний устройств поддерживается фондом HART-коммуникации (HART Communication Foundation). Таким образом, приборы от разных производителей становятся полночью совместимыми.
Для расширения возможностей протокола фондом HART коммуникации недавно была утверждена версия протокола HART 6.O. Основным усовершенствованием этой версии является разработка нового фазомодулированного способа передачи данных, позволяющего значительно увеличить скорость обмена информации (от двух транзакций в секунду в версии 5.0 до 12 в версии 6.0). Новые спецификации HART 6.0 приведены в соответствие стандартам ISO и IEC (Международной электротехнической комиссии). Также в новой версии протокола расширен список стандартных команд. Основным требованием HART 6.0 является обеспечение обратной совместимости версий, то есть новая версия совместима с предыдущими.
Промышленная группа "Метран" – единственная российская компания, имеющая членство в фонде HART-коммуникаций. В течение последних пяти лет разработала и выпускает широкий спектр при борной продукции с поддержкой коммуникационного протокола HART, начиная от датчиков давления, температуры, расхода до устройств коммуникации (HART-коммуникатор, HART-модем, HART-мультиплексор) и программного обеспечения (H-Master и MUX-Master). Все производимые приборы прошли проверку на соответствие требованиям спецификаций HART-протокола, что гарантирует их полную совместимость с HART-приборами от сторонних производителей.
Использование HART-протокола в информационных измерительных системах для автоматизации технологических процессов является оптимальным по стоимости и функциональности. Нет необходимости заменять существующую систему – датчики с HART можно устанавливать вместо аналоговых и использовать все преимущества цифрового обмена.
В качестве примера магистральных интерфейсов можно привести синхронные мультиплексные интерфейсы с параллельным способом передачи: 8-разрядные интерфейсы Microbus, X-bus, шина iSBX, 16-разрядные интерфейсы Unibus (отечественный аналог ОШ) Multibus, Q-bus, 32-разрядные интерфейсы Versabus, MCA, EISA, VESA, VESA-2, PCI.
В настоящее время существуют легко приспосабливаемые интеллектуальные интерфейсные блоки для первичных преобразователей, которые обеспечивают множество наиболее полезных свойств, предусмотренных стандартами типа IEEE 1451.2. Адаптивные возможности этих блоков позволяют соединять их с широким набором типов датчиков. Этот подход обеспечивает некоторые важные черты технологий ИД, такие как специальные электронные таблицы для конкретного датчика и возможности самоидентификации, не заставляя производителей датчиков переделывать свою продукцию в целях тесной интеграции с микроэлектронным интеллектом внутри своего датчика.
Интеллектуальные датчики (ИД) выглядят перспективными с позиций дистанционного доступа, специальных электронных таблиц датчика, возможностей сетевого интерфейса, но экономические и технические барьеры делают их неприемлемыми. Этот барьер может быть разрешен благодаря использованию «интеллектуальных и адаптируемых» сенсорных интерфейсов. Существует множество приложений, где возможности технологий ИД были бы весьма полезными. Однако вместо того, чтобы пытаться заставить производителей компонентов датчиков вводить «интеллектуальные» версии каждого датчика в свои каталоги, возможно, было бы лучше подумать об использовании интеллектуальных и адаптивных интерфейсных узлов для датчиков, Такие интеллектуальные интерфейсы позволили бы использовать привычные, существующие компоненты датчиков там, где требуются «интеллектуальные», сетевые датчики.
4.4 Измерительные коммутаторы и контроллеры.
Измерительные коммутаторы
Основное назначение измерительных коммутаторов – образование между функциональными блоками соединений, 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.
Рассмотрим погрешности измерительных коммутаторов вначале без учета ЭДС, возникающих в элементах коммутатора. Упрощенная, эквивалентная схема для одного из каналов коммутатора приведена на рис. 4.12. Здесь Ri – внутреннее сопротивление, Rн , – сопротивление нагрузки коммутатора, ∆Rн – изменение последовательного (переходного) сопротивления в одном канале коммутатора,
∆Rω – изменение шунтирующего сопротивления коммутатора в од ном канале. При этом неизменяющиеся части последовательного и шунтирующего сопротивлений коммутатора не рассматриваются, так как вносимые ими погрешности могут быть учтены.
На рис. 4.12 пунктиром обведен рассматриваемый канал коммута тора. Будем считать, что все каналы коммутатора одинаковы и вы полняется условие:
(4.1)
При этом относительная погрешность коммутатора
(4.2)
Погрешность коммутатора имеет две составляющие
(4.3)
где δn – погрешность из-за изменения последовательного сопротивления ∆Rн . При выполнении условия (4.1)
(4.4)
Погрешность, обусловленная изменением шунтирующего сопротив ления коммутатора
. (4.5)
Например, при и ;
Суммарная минимальная погрешность, вносимая коммутатором, будет при условии
(4.6)
Подставляя в (4.6) значения ∆δ и ∆ω из (4.4) и (4.5), получим
(4.7)
Из (4.7) определим оптимальное сопротивление нагрузки, при котором погрешность коммутатора минимальна (δmin)
, (4.8)
где
Так, при К=5 ∆Rn=0,1 Ом, ∆Rω=109 Ом,
В табл. 4.10 приведены ориентировочные значения ∆Rn, ∆Rω и Rн опт при К=3
для контактных и бесконтактных изме рительных коммутаторов. Минимальные значения ∆Rn имеют кон тактные коммутаторы с герконами и золочеными контактами или кон тактами, смоченными ртутью, а наибольшее значения ∆Rω для бесконтактных коммутаторов на полевых транзисторах и интегральные микросхемы с МСП-структурой.
Таблица 4.10
|
∆Rn, Ом |
∆Rω, МОм |
Rн опт при |
δ |
|
|
Контактные коммутаторы |
0,01– 0,1 |
104– 105 |
30– 300 |
10-6– 10-5 |
|
Бесконтактные коммутаторы |
1– 10 |
102–103 |
10–100 |
10-4–10-3 |
Как следует из табл. 4.10 лучшие по точности результаты по лучают с контактными измерительными коммутаторами. Однако такие коммутаторы имеют низкое быстродействие, меньшее количество ком мутируемых цепей и не работают по заявкам. Бесконтактные измери тельные коммутаторы на интегральных микросхемах с ключами, вы полненными на одном кристалле, имеют лучшие показатели.
На рис. 4.13. приведены схемы контактных коммутаторов, электронных ключей на транзисторах (рис. 4.14) и полевых транзисторах (рис. 4.15) с компенсацией ЭДС и влияния управляющих напряжений Uy на работу коммутатора. Такой измерительный коммутатор состоит из одного распределителя, с которого управляющие канальные напряжения подаются на ключи.
Характеристики ключей могут быть улучшены, если транзисторные схемы заменить интегральными микросхемами. лучшие бесконтактные коммутаторы имеют собственные шумы и остаточные ЭДС в контактных измерительных коммутаторах на 1-2 десятичных порядка меньше, однако другие показатели, такие, как быстродействие и надежность, значительно хуже. Так, быстродействие коммутаторов с герконами опре деляется временем срабатывания и отпускания реле. Минимальное время срабатывания реле с герконами составляет 1,5–2,5 мс и зависит, главным образом от дребезга контактов при их замыкании. Время отпускания реле составляет 0,5 – 1 мс. Число срабатываний геркона, определяющее его надежность, составляет 1010–109.
В настоящее время многочисленные фирмы выпускают различные коммутаторные модули. На рис. 4.16 и 4.17 показаны общие виды коммутаторных модулей SCXI и PXI компании NI, а в табл. 4.11 и 4.12 их конфигурации.
Таблица 4.11
|
Топология |
Максимальное напряжение, В |
Максимальный ток, А (коммутир./пропуск.) |
Полоса пропу-скания, МГц |
Тип переключателя |
Скорость сканирования, операций/с |
Время сраба-тывания, мс |
Модуль |
|
Матричные модули |
|||||||
|
16x16, 2-проводной |
150 CAT I |
1 /2 |
10 |
Э |
125 |
8 НС |
SCX1-1129 |
|
2-канальный 8x16, 2-проводной |
150 CAT I |
1 /2 |
10 |
Э |
125 |
X |
SCXI-1129 |
|
8x32, 2-проводной |
150 CAT I |
1 /2 |
10 |
Э |
125 |
8 |
SCXI-1129 |
|
8x32, 1-проводной |
60 VDC. 30 VAC |
0,4/ 0,4 |
3 |
Я |
900 |
1,1 |
SCXI-1130 |
|
4-канальный 4х16, 2-проводной |
150 CAT I |
1 / 2 |
10 |
Э |
125 |
8 |
SCXI-1129 |
|
2-канальный 4х32 2-проводной |
150 CAT I |
1 / 2 |
10 |
Э |
125 |
X |
SCXI-1129 |
|
4x64, 2-проводной |
150 CAT I |
1 /2 |
10 |
Э |
125 |
8 |
SCXI-1129 |
|
4x64, 1-проводной |
60 VDC, 30 VAC |
0,4 / 0,4 |
3 |
Я |
900 |
1.1 |
SCXI-1130 |
|
4x32, 2-проводной |
60 VDC, 30 VAC |
0,4 / 0,4 |
3 |
Я |
900 |
1,1 |
SCX1-1130 |
|
4x8, 2-проводной |
250 CAT II |
1 / 2 |
11 |
Э |
N/A |
10 |
SCXI-1127 |
|
4x8, 2-проводной |
250 CAT II |
0,03 / 0,03 |
1,5 |
П |
N/A |
0,7 |
SCXI-1127 |
|
Мультиплексорные модули |
|||||||
|
256x1, 1-проводной |
60 VDC, 30 VAC |
0,4 / 0,4 |
3 |
Я |
900 |
1,1 |
SCXI-1110 |
|
128x1, 2-проводной |
60 VDC, 30 VAC |
0,4 / 0,4 |
3 |
Я |
900 |
1,1 |
SCXI-1130 |
|
64x1, 4-проводной |
60 VDC, 30 VAC |
0,4 / 0,4 |
3 |
Я |
900 |
1,1 |
SCXI-1130 |
|
64x1, 1-проводной |
250 CAT II |
0,03 / 0,03 |
1,5 |
П |
1,2 тыс. |
0,7 |
SСXI-I 28 |
|
64х1, 1-проводной |
250 CAT II |
1 / 2 |
11 |
Э |
100 |
10 |
SCX1-1127 |
|
Продолжение табл. 4.11 |
|||||||
|
32x1, 2-проводной |
250 CAT II |
0,03 / 0,03 |
1,5 |
П |
1,2 тыс. |
0,7 |
SCXI-112S |
|
32x1, 2-проводной |
250 CAT II |
1 / 2 |
11 |
Э |
100 |
10 |
SCXI-1127 |
|
16-канальный 16x1, 1-проводной |
60 VDC. 30 VAC |
0,4 / 0,4 |
15 |
Я |
900 |
1,1 |
SCXI-1130 |
|
16x1 4-проводной |
250 CAT II |
0,03 / 0,03 |
1,5 |
П |
1200 |
0,7 |
SCXI-1128 |
|
16x1 4-проводмой |
250 CAT II |
1 / 2 |
11 |
Э |
100 |
10 |
SCXI-1127 |
|
8-канальный, 4x1 1-проводной |
240 CAT II |
0,2 / 0,2 |
10 |
П |
N/A |
2 |
SCXI-IK.3R |
|
Модули общего назначения |
|||||||
|
32 канала, однополюсный, 2 направления |
150 VDC, 125 VAC CAT I |
2 /5 |
70 |
Э |
115 |
8,8 |
SCX1-1166 |
|
16 каналов, однополюсный, 2 направления |
250 CAT II |
2 / 2 |
10 |
Э |
N/A |
10 |
SCX1-1160 |
|
8 каналов, однополюсный, 2 направления |
250 CAT II |
8/8 |
10 |
Э |
N/A |
15 |
SCXI-1161 |
|
ВЧ модули |
|||||||
|
36-контактный, разреженная матрица коаксиал 50/75 Ом |
150 CAT I |
0,5 / 1 |
500 |
Э |
100 |
10 |
SCX1-1193 |
|
32x1 коаксиал 50/75 Ом |
150 CAT I |
0,5 / 1 |
500 |
Э |
100 |
10 |
SCX1-1193 |
|
2-канальный, 16x1, коаксиал 50/75 Ом |
150 CAT I |
0,5 / 1 |
500 |
Э |
100 |
10 |
SCX1-1193 |
|
16х1 с терминатором, коаксил 50/75 Ом |
150 CAT I |
0,5 / 1 |
500 |
Э |
100 |
10 |
SCX1-1193 |
|
8-кан. SPDT- коаксиал 50 Ом |
30 |
NA / 2 |
18000 |
Э |
N/A |
500 |
SCX1-1192 , |
|
4-канал. 8x1 коаксиал 50/75 Ом |
150 CAT I |
0,5 / 1 |
500 |
Э |
100 |
SCX1-1193 |
|
|
2-канал. 8x1 с терминатором коаксиал 50/75 Ом |
150 CAT I |
0,5 / 1 |
500 |
Э |
100 |
10 |
SCXI-1193 |
|
4-канал. 4x1 с терминатором |
150 CAT I |
0,5 / 1 |
500 |
Э |
100 |
10 |
SCXI-1193 |
|
коаксиал 50/75 Ом |
|||||||
|
4-канал. 4x1 коаксиал 50 Ом |
24 |
1 / 1 |
1300 |
Э |
N/A |
30 |
SCX1-1190 |
|
4-канал. 4x1 коаксиал 50 Ом |
30 |
0,33 / 0,33 |
4000 |
Э |
N/A |
30 |
SCXI-119I |
|
9-ой 3x1 коаксиал 50/75 Ом |
150 CAT I |
0,5 / 1 |
500 |
Э |
100 |
10 |
SCXI-1193 |
|
Продолжение табл. 4.11 |
|||||||
|
Управляющие цепи реле |
|||||||
|
64 без фиксации |
50 VDC |
0,6 |
N/A |
N/A |
N/A |
N/A |
SCX1-1167 |
|
32 с фиксацией (двойная обмотка) |
50 VDC |
0,6 |
N/A |
N/A |
N/A |
N/A |
SCXI-1167 |
Примечание: Э – электромеханический переключатель; Я – язычковое реле; П – полупроводниковое реле.
Таблица 4.12
|
Топология |
Максимальное напряжение, В |
Максимальный ток, А (коммутир./пропуск.) |
Полоса пропу-скания, МГц |
Тип переключателя |
Скорость сканирова-ния, операций/с |
Время срабаты-вания, мс |
Модуль |
|
Матричные модули |
|||||||
|
8x16 2-проводной |
150 CAT I |
1 /2 |
10 |
Э |
125 |
8 |
РХ1-2529 |
|
8x16 1-проводной |
60 VDC, 30 VAC |
0,4 / 0,4 |
3 |
Я |
900 |
1,1 |
РХ1-2530 |
|
4x32 2-проводной |
150 CAT I |
1 /2 |
10 |
Э |
125 |
8 |
РХ1-2529 |
|
4x32 1-проводной |
60 VDC. 30 VAC |
0,4 / 0,4 |
3 |
Я |
900 |
1,1 |
PXI-2530 |
|
4x16 2-проводной |
60 VDC, 30 VAC |
0,4 / 0,4 |
3 |
Я |
900 |
1,1 |
PXI-2530 |
|
4x6 2-проводной |
10 VDC, 7 VAC |
0,003 / 0,003 |
0,4 |
П. тр. |
25 тыс. |
0,0085 |
PXI-2501 |
|
4x6 2-проводной |
60 VDC, 30 VAC |
1 / 1 |
10 |
Э |
200 |
10 |
PXI-2503 |
|
Мультиплексорные модули |
|||||||
|
128x1 1-проводной |
60 VDC, 30 VAC |
0,4 / 0,4 |
3 |
Я |
900 |
1,1 |
PXI-2530 |
|
64x1 2-проволной |
60 VDC, 30 VAC |
0,4 / 0,4 |
3 |
Я |
900 |
1,1 |
PXI-2530 |
|
48x1 1-проводной |
10 VDC, 7 VAC |
0,003/ 0,003 |
0,4 |
П. тр. |
25 тыс. |
0,0085 |
PXI-2501 |
|
48x1 1-проводной |
60 VDC, 30 VAC |
1 / 1 |
10 |
Э |
100 |
10 |
PXI-2503 |
|
32x1 4-проводной |
60 VDC, 30 VAC |
0,4 / 0,4 |
3 |
Я |
900 |
1,1 |
PXI-2530 |
|
24x1 2-проводной |
10 VDC, 7 VAC |
0,003 / 0,003 |
0,4 |
П. тр. |
25000 |
0,0085 |
PXI-2501 |
|
24x1 2-проводной |
60 VDC, 30 VAC |
1 / 1 |
10 |
Э |
200 |
10 |
PXI-2503 |
|
8-ой 16x1 1-проводной |
60 VDC, 30 VAC |
0,4 / 0,4 |
15 |
Я |
900 |
1,1 |
PXI-2530 |
|
12x1 4-проводной |
10 VDC, 7 VAC |
0,003 / 0,003 |
0,4 |
П. тр. |
25 тыс. |
0,0085 |
PXI-2501 |
|
12x1 4-проводной |
60 VDC, 30 VAC |
1 / 1 |
10 |
Э |
200 |
10 |
PXI-2503 |
|
Модули общего назначения |
|||||||
|
16 каналов, однополюсный, 2 направления |
150 VDC, 125 VAC CAT I |
2 /5 |
70 |
Э |
115 |
8,8 |
PXI-2566 |
|
Продолжение табл. 4.12 |
|||||||
|
16 канатов, однополюсный, 1 направление |
125 VDC, 250 VAC CAT II |
7 /7 |
10 |
Э |
N/A |
15 |
PXI-2565 |
|
ВЧ модули |
|||||||
|
IS-контакт, разреженная матрица коаксиал 50/75 Ом |
150 CAT I |
0,5 / 1 |
500 |
Э |
100 |
10 |
PXI-2593 |
|
16x1 коаксиал 50/75 Ом |
150 CAT I |
0,5 / 1 |
500 |
Э |
100 |
10 мс |
PXI-2593 |
|
2-канал. 8x1 коаксиал 50/75 Ом |
150 CAT I |
0,5 / 1 |
500 |
Э |
100 |
10 |
PXI-2593 |
|
8x1 с терминатор коаксиал 50/75 Ом |
150 CAT I |
0,5 / 1 |
500 |
Э |
100 |
10 |
PXI-2593 |
|
2-канальный, 4x1 с терминатором коаксиал 50/75 Ом |
150 CAT I |
0,5 / 1 |
500 |
Э |
100 |
10 |
PXI-2593 |
|
4х 1 коаксиал 50 Ом |
24 |
1 / 1 |
1300 |
Э |
30 |
30 |
PX1-2590 |
|
4x1 коаксиал 50 Ом |
30 |
0,33 / 0,33 |
4 000 |
Э |
30 |
30 |
PX1-2591 |
|
4-канальный, 3x1, коаксиал 50/75 Ом |
150 CAT I |
0,5 / 1 |
500 |
Э |
100 |
10 |
PXI-2593 |
|
Управляющие цепи реле |
|||||||
|
64 без фиксации |
50 VDC |
0,6 |
N/A |
N/A |
N/A |
N/A |
PXI-2567 |
|
32 с фиксацией сдвойн. обмотка) |
50 VDC |
0,6 |
N/A |
N/A |
N/A |
N/A |
PXI-2567 |
|
1Время установки (скачок от +5 до -5 В) при точности 0.012% при использовании усилителя с 15-ти сантиметровым коннектором АВ с модульным вводом/выводом PXI-MIO. |
Примечание: Э – электромеханический переключатель; Я – язычковое реле; П. тр. – полевой транзистор.
Контроллеры
Контроллер представляет собой микропроцессорную систему, адаптированную к задачам, управления объектом. Контроллер содержит те же узлы, что и ЭВМ, но отличие состоит в более развитых внешних устройствах ввода-вывода, представляющих собой средства сопряжения с объектом и требующих большого числа каналов ввода-вывода (или портов), Выделим ряд отличительных особенностей, которыми должна обладать ЭВМ для осуществления функций контроллера:
Особенно важны контроллеры, представляющие собой программируемые, компьютеры на одном кристалле. Несколько компаний (Hitachi, Intel, Microchip Technology, Motorola, Old Electric, Philips, Siemens, STMicroelectronics и Texas Instruments) предлагают семейства контроллеров с различными возможностями. Лучшие компоненты в этих семействах сегодня имеют высокую производительность (с частотой тактового генератора свыше 10 МГц), значительный объем внутриплатной памяти, несколько аналоговых входных портов и множество цифровых входов и выходов. Такие контроллеры позволяют реализовать несколько важнейших функций по месту расположения датчика, таких как управление электропитанием, сбор и анализ данных, хранение и передача данных и информации.
Проведем небольшой обзор контроллеров различных назначений компании National Instruments: встраиваемые контроллеры (рис. 4.18, рис. 4.19) NI PXI-8186 RT, NI PXI-8176 RT, NI PXI-8175 RT, NI PXI-8145 RT: производительность реального времени; независимая надежная работа; процессор Intel Pentium 4 до 2,2 ГГц; PID регулятор с частотой цикла до 40 кГц; Ethernet интерфейс для программирования и передачи данных.
Контроллер и преобразователь NI GBIP-232CT-A преобразует RS-232 порт в GBIP контроллер или интегрирует RS-232 устройство в GBIP систему, а NI-488.2 для Windows/DOS. Примером периферийного контроллера, выполненного на базе 8-разрядной микроЭВМ, может служить ПК, принципиальная схема которого представлена на рис. 4.20. Кон6троллер содержит однокристальную микроЭВМ (Z86E08), трехканальный АЦП (AD7706) с последовательным интерфейсом, опорный источник AD780 со схемой компенсации температурной погрешности, оптронные ключи (TLP521-1) для гальванической развязки силовых цепей и линии связи с групповым контроллером, стабилизатор напряжения +5В. Опорные частоты микроЭВМ и АЦП стабилизированы кварцевыми резонаторами (12 и 1 МГц, соответственно).
Выпрямители питания силовых цепей и периферийного контроллера размещены на отдельной ПП совместно с силовыми транзисторами, управляющими коммутационными аппаратами нагревателей верхней и нижней подогревательных плит пресса и приводом пресса.
Множество других контроллеров, выполняющих различные функции можно найти в каталогах National Instruments – тел/факс: (495) 783-6851 – ni.russia@ni.com – ni.com/Russia.
Иногда с датчиками используют чипы с цифровыми сигнальными процессорами или программируемыми пользователем логическими матрицами, а не контроллеры более общего назначения. более крупные компьютеры, используемые в качестве серверов или в маршрутизаторах, критичны к условиям работы кабельных или беспроводных сетях. Поэтому сетевое восприятие информации а значительной степени зависит от используемых контроллеров.
В перспективе намечается использование, так называемых, интеллектуальных контроллеров на основе нечеткой логики – это позволит управлять плохо управляемыми или плохо формализуемыми объектами.
4.5 Микропроцессоры и ЭВМ в измерительных информационных системах.
Микропроцессоры в ИИС
Микропроцессор – это программно-управляемое устройство, предназначенное для обработки цифровой информации и управления процессом этой обработки, выполненное в виде одной или нескольких БИС. Качественное отличие МП от других типов микросхем – возможностью функциональной перестройки путем изменения внешней программы. В зависимости от программы МП может быть использован для решения различных задач и способен заменить многие типы интегральных схем «жесткой» логикой. Подобная универсальность МП обусловила массовость их выпуска, что привело к снижению стоимости МП, в результате чего экономически выгодным стало их использование в промышленной автоматике, транспорте, бытовой технике и т. д. Создание дешевых МП с широкими функциональными возможностями обеспечило дополнительные преимущества цифровым методам обработки информации, что стимулировало их внедрение в такие отрасли, как телефония, радиосвязь, из мерительная техника.
Сколь бы сложным ни был МП, в структуре его всегда можно выделить следующие три основных блока или устройства (рис. 4.21); УОД– устройство обработки данных; БИ – блок интерфейса; УУ – устройство управления.
Устройство обработки данных (УОД). Это устройство является одним из основных блоков МП, в котором осуществляется вся необходимая арифметическая и логическая обработка инфор мации. Остальные блоки выполняют вспомогательные функции. Устройство обработки данных обычно включает в себя следующие узлы: арифметико-логическое устройство, аккумулятор, де сятичный корректор, регистр признаков, регистры общего назначения, регистры временного хранения и коммутаторы
Арифметико-логическое устройство (АЛУ) – основной операционный блок. Это устройство выполняет арифметиче ские и логические операции, а также операции сдвига. Оно представляет собой, как правило, комбинационную схему, число разрядов которой оп ределяется разрядностью шины данных МП.
Аккумулятор – регистр, разрядность которого соответствует раз рядности АЛУ, служит для фиксации одного из участвующих в операции операндов, а также хранит результат выполненной операции. Кроме того, через него в большинстве случаев реализуется обмен информацией меж ду МП и внешними устройствами ввода-вывода. Аккумулятор, как и все регистры в МП, реализуется на двухступенчатых либо на одноступен чатых триггерах.
Десятичный корректор преобразует данные, находящи еся в АЛУ в виде двоичного кода, в двоично-десятичный код.
Регистр признаков (регистр флажков) в более ранних раз работках был предназначен только для хранения признаков результата операции. Поскольку результаты всех операций, выполненных АЛУ, пе редаются в аккумулятор, можно сказать, что регистр признаков содержал информацию о данных, пересылаемых из АЛУ в аккумулятор. Содержи мое этого регистра использовалось в тех случаях, когда выполнение опе рации ставилось в зависимость от значений каких-либо признаков ре зультата предыдущей операции, N-разрядов регистра признаков образо вывалось совокупностью N-флажков (триггеров), причем каждый из разрядов хранил информацию о каком-либо одном признаке результата выполненной операции. Например, разряд признака переноса устанавли вается в единичное состояние при наличии переноса из старшего разряда или при займе в старший разряд. Типичным набором регистра признаков были разряды (триггер-флажки): перенос, отрицательный результат, ну левой результат, переполнение диапазона представляемых чисел, чет ность числа единиц в двоичном коде. В более поздних разработках в ре гистр признаков кроме разрядов результата выполненной операции стали добавлять другие разряды, которые отражали состояние МП на том или ином этапе выполнения программы: разрешение прерывания, вид адреса ции, состояние стека и др.
Регистры общего назначения (РОН) используются в МП для хранения промежуточных данных в процессе обработки. Они рассматриваются программистом как сверхоперативное запоминающее устройство, т. е. небольшой объем памяти, расположенный непосредст венно на кристалле микросхемы МП. Использование РОН позволяет; зна чительно увеличить быстродействие системы благодаря упрощенной ад ресации к ним, Для некоторых МП ЮН разбивают на части, например по восемь разрядов в каждой, а для других, наоборот, отдельные РОН объе диняют в регистровые пары.
Регистры временного хранения предназначены для временного хранения данных при пересылках их между различными уз лами МП и в большинстве случаев являются программно-недоступными,
Коммутаторы служат для мультиплексирования и демультип лексирования различных источников обрабатываемых операндов с АЛУ и имеют разрядность, равную разрядности АЛУ.
Блок интерфейса. Блок включает в себя узлы МП, обеспечивающие его взаимодействие со всеми внешними устройствами. В их число вхо дят: узел управления шинами, узел формирования адреса памяти и др.
Узел управления шинами управляет работой всех шин. Шины представляют собой набор соединительных проводников-линий, сгруппированных по функциональному назначению. По каждой линии может быть передано значение одного разряда двоичного кода в виде уровней напряжения, соответствующих логическому 0 или логической 1. По роду передаваемой информации все линии разделены на три группы, образующие шину данных, шину адреса и шину управления. Характерная особенность шины данных – ее двунаправленность, под которой пони мается возможность передачи данных в разные моменты времени в раз личных направлениях. Такая двунаправленность обеспечивается двунаправленными буферными регистрами, через которые МП подключается к шине данных. Шина адреса является однонаправленной. Еще одна осо бенность буферных регистров заключается в том, что они являются трехстабильными, т. е. выходы этих регистров, кроме состояний логического 0 и логической 1, могут принимать третье пассивное или высокоимпедансное состояние, благодаря чему регистр оказывается как бы отключен ным от шины. Шины данных и адреса в некоторых типах МП могут быть мультиплексированы. Это значит, что одни и те же линии связи могут служить и для передачи данных, и для передачи адреса в различные мо менты времени. Переключение направления передачи данных, переклю чение мультиплексированных шин, отключение шин от общих магистралей и обеспечение ряда других необходимых функций как раз и возлагается на узел управления шинами.
Узел формирования адресов памяти обеспечивает взаимодействие МП с оперативным запоминающим устройством и устройствами ввода-вывода. В его состав входят счетчик команд, указатель стека, схема инкремента-декремента, сумматор адреса, адресные регистры, регистр адреса, вспомогательные регистры и коммутаторы.
Счетчик команд представляет собой регистр, содержащий адрес ячейки памяти, в которой хранится подлежащая выполнению команда, Обычно команды одной программы размещаются в последовательно расположенных ячейках памяти, в каждой из которых размещается 1 байт форманта, т. е. в ячейках памяти с непрерывно возрастающими на 1,2, 4(в зависимости от разрядности шины данных МП) адресами, поэтому для перехода к следующей команде содержимое счетчика команд автоматически увеличивается на 1,2, 4 единиц после выборки текущей команды. При необходимости изменения естественного порядка следования команд в счетчик заносится адрес команды, к которой необходимо произвести переход. После перехода команды снова будут выполняться в естественном порядке. Разрядность счетчика команд может быть ниже разрядности шины адреса МП.
Указатель стека, так же как и счетчик команд, представляет собой регистр, содержащий адрес, по которому осуществляется обращение к области памяти ОЗУ, зазываемой стеком (о работе со стеком будет сказано ниже). Содержимое указателя стека автоматически уменьшается на 1, 2, 4 в зависимости от разрядности МП (декрементируется) при записи слова данных в стек и увеличивается на 1, 2, 4 (инкрементируется) при выдаче слова данных из стека. Указатель стека имеет такую же разрядность, что и счетчик команд.
Схема инкремента-декремента служит для обеспечения вышеописанной функции добавления 1, 2, 4 к содержимому счетчика команд или добавления –вычитания 1,2,4 к содержимому указателя стека. Данный узел может использоваться в некоторых МП и для реализации функции инкремента-декремента над содержимым других адресных регистров.
Сумматор адреса позволяет разгрузить арифметико-логическое устройство и взять под свою ответственность вычисления адресов при сложных видах адресации.
Адресные регистры используются для хранения адресов обрабатываемых операндов или адресов пересылки результатов операций. В МП, не использующих особых, комбинированных способов адресации (о способах адресации будет изложено дальше), в качестве адресных регистров могут применяться регистры общего назначения.
Регистр адреса служит для хранения адреса на время цикла обращения к памяти ОЗУ. Нельзя путать регистр адреса с адресными регистрами. Последние используют для указания адресов при комбинированных способах адресации, иначе говоря, для формирования адресов ячеек памяти. Регистр адреса необходим для фиксации адреса ячейки памяти, к которой осуществляется обращение в данный момент времени.
Устройство управления. Данное устройство формирует управляющие сигналы для всех цепей управления. Это достаточно сложная задача объясняемая сложностью самой структуры МП и большим числом входя щих в него узлов. Каждая команда реализуется за 5...10, а иногда и боле тактовых сигналов. При этом система команд МП может содержать до 250 и более команд. Каждый такт характеризуется своим вектором управляющих сигналов. Нетрудно представить себе, какой огромный набор управляющих сигналов должно анализировать и обрабатывать устройство управления для реализации всех команд, закладываемых разработчиком при проектировании МП.
При построении устройства управления используются два подхода: на основе аппаратной реализации или «жесткой» логики управления и на основе микропрограммной реализации или «гибкой» логики управления. При любой логике управления в устройстве управления можно выделить следующие узлы: регистр команд, дешифратор команд и очередь команд.
Выполнение любой команды начинается со считывания первого слова команды, которое содержит код операции, из памяти в регистр команд, где оно хранится в течение всего времени выполнения команды. Разрядность регистра команд соответствует разрядности шины данных МП. Дешифрация кода операции производится в дешифраторе команд. По результатам работы дешифратора и под воздействием тактовых сигналов вырабатывается нужная последовательность сигналов управления. Это приводит к считыванию из памяти остальных слов команды, если они имеются, а также к собственно выполнению операции, предписанной командой. Очередь команд представляет собой запоминающее устройство небольшого объема (порядка нескольких слов), расположенное на кри сталле МП и предназначенное для хранения очередных, подлежащих вы полнению команд. Заполнение этой памяти происходит в промежутке времени, когда шина данных МП свободна от обмена с внешней памятью или внешними устройствами. Это позволяет повысить быстродействие МП за счет снижения временных затрат на выборку последующей коман ды из внешней памяти после выполнения очередной команды.
Классификация микропроцессоров. По числу БИС в микропроцессорном комплекте все МП принято делить на три больших класса: однокристальные, многокристальные и секционированные.
Структура однокристальных МП реализована на одном кристалле микросхемы и конструктивно выполнена в одном корпусе. Такие МП имеют фиксированную разрядность и, как правило, фиксированный набор команд; Аппаратура; построенная на однокристальных МП, имеет более высокую надежность по сравнению с аппаратурой, использующей иную элементную базу вследствие малого числа внешних соединений.
Многокристальные МП представляют собой набор из нескольких микросхем, причем функционально каждый тип устройства структуры МП или их набор реализованы в отдельном корпусе БИС. Многокристальные МП имеют также фиксированную разрядность и, как правило, фиксированную систему команд.
Однокристальные и многокристальные МП составляют класс МП замкнутого типа. В МП замкнутого типа разрядность обрабатываемых операндов 8,16,32 или 64 бит и может быть увеличена только программным путем, т. е. последовательной обработкой многоразрядных операндов по частям. Это существенно снижает реальное быстродействие МП при работе с многоразрядными операндами.
Секционированные МП конструктивно тоже реализованы в виде набора микросхем. Но если у многокристальных МП разбиение происходит на структурном уровне, то у секционированных МП – по группам разрядов. Секционированные МП строятся в виде соединения одинаковых микропроцессорных секций. Каждая такая секция, оформленная в виде отдельной БИС, предназначена для обработки обычно двух, четырёх или восьми разрядов исходного операнда. Между секциями передаются необходимые сигналы переноса, возникающие при выполнении арифметических операций, сдвигов операнда и т. п. Наращивание разрядности обрабатываемых операндов в рассматриваемом случае производится аппаратным способом, т. е. путем увеличения числа микропроцессорных секций. Секционированные МП имеют, как правило, изменяемую систему команд.
Что касается разрядности формируемых адресов, то в МП замкнутого типа эта разрядность фиксирована, а в секционированных МП число разрядов адреса, как и операндов, увеличивается до требуемой величины путем соединения соответствующего числа микропроцессорных секций.
По назначению различают МП универсальные и специализированные; Универсальные МП применяют для построения систем решения широкого круга задач. Производительность решения задачи в этом случае слабо зависит от специфики самой задачи. Для повышения производительности системы, обусловленной именно спецификой задачи, стараются применять специализированные МП, ориентированные на решение конкретной задачи. К таким МП можно отнести математические МП, использующие в системе команд набор специализированных команд, реализующих различные математические функции; микроконтроллеры, сигнальные МП, реализующие оптимальные методы цифровой обработ ки сигналов и пр.
По виду обрабатываемых входных сигналов различают МП цифровые и аналоговые. Цифровые МП оперируют с ин формацией, представленной в дискретной двоичной форме в виде комби нации двух цифр – нуля и единицы. Аналоговые МП оперируют с ин формацией в аналоговой форме, т. е. в форме непрерывных функций вре мени, Однако по сути аналоговые МП все равно остаются цифровыми ус тройствами, так как вся обработка осуществляется в цифровой форме цифровыми методами. Аналоговые же сигналы вводятся в МП через ана лого-цифровые преобразователи и выводятся через цифроаналоговые преобразователи, включенные в ч структуру самого МП.
По характеру временной организации работы, МП делят на синхронные и асинхронные. В синхронных МП начало и конец выполнения операции задаются устройством управления. Время выполнения команды в данных МП фиксировано и не зависит ни от типа команды, ни от типа обрабатываемых данных. В асинхронных МП конец выполнения операции определяется по фактическому сигналу окончания
операции. Время выполнения команды в данных МП индивидуально для
каждой команды, и начало выполнения очередной команды следует сразу
же после окончания предыдущей, не дожидаясь специальных сигналов синхронизации устройства управления.
По количеству выполняемых программ различают МП однопрограммные и мультипрограммные. В однопрограммных МП в текущий момент времени может выполняться только одна програм ма. В мультипрограммных МП возможно параллельное выполнение сра зу нескольких программ одновременно. Такие МП используют преиму щественно, когда требуется обрабатывать большое количество источни ков информации и большие массивы данных.
По технологии изготовления различают МП, изготов ленные по МОП-технологии (МОП МП) и по биполярной технологии (биполярные МП). Первые построены на основе МОП-транзисторов с р-каналом (р-МОП БИС), МОП-транзисторов с n-каналом (n-МОП БИС) и на основе комплементарных МОП-транзисторов (КМОП БИС); вто рые – на основе элементов транзисторно-транзисторной логики с диода ми Шоттки (ТТЛШ БИС), на основе элементов интегральной инжекционной логики (И2Л БИС) и на основе элементов эмиттерно-связанной логи ки (ЭСЛ БИС). Наибольшим быстродействием обладает ЭСЛ-технология, наименьшим – р-МОП-технология. Минимальным энергопотреб лением при среднем быстродействий обладает КМОП-технология. Наи большую степень интеграции при среднем быстродействии обеспечивает n-МОП-технология.
Микропроцессоры с управлением на уровне команд имеют в списке обычно 45…150 команд, а с управлением на уровне микропрограмм – обычно 256…512 микрокоманд. как правило, МП замкнутого типа (для которых наращивание разрядности осуществляется программным путем) имеют управление на уровне команд, а секционированные МП (наращивание разрядности аппаратным путем) – на уровне микропрограмм.
Микропроцессоры и микро ЭВМ в ИИС используются для связи приборов в единый комплекс и выполнения следующих функций контроллерных, вычислительных, тестовых, сер висных и рас пределенной об работки данных.
Кроме того необходимо отметить функции метасистемы, которая обеспечивает выполнение всех перечисленных выше функций и их согласование между собой.
Контроллерные функции можно подразделить на ряд подфункций: управление измерительной цепью, т.е. переключение каналов и диапа зонов, подключение образцовых мер, управление измери тельными усилителями.
Обычно эти функции выполняются чисто программными методами, иногда с участием таймера – с помощью микропроцессора и портов ввода-вывода; управление аналого-цифровым преобразованием; управление средствами общения с оператором.
Сюда входят управление клавиатурой, индикаторами , звуковой сигнализацией и дисплеем; управление регистрами, т.е. печатающими устройствами, самописцами, графопостроителями, накопителях на магнитных носителях; управление внешней памятью, т.е. быстродействующими накопителями на магнитных носителях в режиме двухстороннего обмена и дополнительными внешними модулями памяти.
Вычислительные функции, т.е. первичная, вторичная и окончательная обработка данных.
Сюда относятся: калибровка, нормализация, масштабирование, фильтрация, сжатие данных, распознавание, устранение ошибок, статистическая обработка, корреляционный, спектральный, амплитудно-временной анализ и др.
Тестовые функции, т.е. обнаружение и локализация неисправности. В большинстве случаев до типового элемента.
Известны три класса тестирования. С применением внешних микропроцессорных средств, полностью автономное тестирование и комбинированные методы.
Для первого применяются специальные тестеры и микро ЭВМ. Программы тестирования входят в программное обеспечение тестера или самой системы.
При втором – функции тестирования чаще всего выполняет основной процессор ИИС, однако возможно наличие специального микропроцессорного узла, предназначенного только для автоматической диагностики.
В этом классе тестирование производится в двух основных режимах определение работоспособности, диагностика неисправности
При этом хранение программы тестирования может быть осуществлено либо во внешнем устройстве памяти, если оно имеется в ИИС, либо чаще в тестовом ПЗУ.
Сервисные функции, т.е. расширение возможностей измерительных приборов и систем со встроенными микропроцессорами и микро ЭВМ, увеличивающие объем информации, число режимов измерений, число обработки параметров и их комбинаций, число дополнительных директив, объем визуальной и звуковой информации, число альтернативных вариантов измерений и обработки первичной информации, вторичная обработка и интерпретация результатов вывод результатов исследования для интерпретации, документации, архивации и управления.
Распределенная обработка данных, т.е. распределение вычислительных функций между программируемыми контроллерами.
Возможность распределения обработки данных обеспечивает высокую надежность управления измерительной информационной системой.
Использование микропроцессоров и микро ЭВМ в ИИС повышает точность, быстродействие, надежность, помехоустойчивость. Расширяет динамический диапазон измерений, улучшает конструктивные показатели, качество метрологического обеспечения, расширяет многофункциональность системы, повышает удобство представления, хранения, регистрации, что способствует созданию, интеллектуальных приборов и систем и ремонтопригодности аппаратуры за счет повышения степени взаимозаменяемости, самоконтроля, диагностики и автоподгонки.
Выбор микропроцессора или ЭВМ определяется техническим заданием на ИИС и зависит от необходимого количества входов/выходов, их типа (аналоговый, дискретный) и объема необходимой памяти.
Пример отечественных однокристальных МП с управлением на уровне команд – МП серий К580 (аналог Intel 8080), К581, К588, К1801/09, К1806, К1810 (аналог Intel 8086), К1821, К1824, К1831, пример секционированного МП с управлением на уровне микропрограмм – МП серий К583, К584, К589, К1802 (К1822), К1804 (аналог Am2900), К1832.
Электронно-вычислительные машины в ИИС
Электронно-вычислительные машины являются основным элементом в ИИС среднего и высшего класса. В настоящее время в ИИС используются практически все типы серийно выпускаемых ЭВМ – от простейших настольных, переносных или встроенных персональных компьютеров (ПК) до мощных рабочих станций и крупных вычислительных комп
лексов. Поэтому остановимся лишь на индустриальных компьютерах.
В сфере разработки и выпуска индустриальных компьютеров первое место занимает фирма IBM. Индустриальная рабочая станция с передней панелью IP56/IP52 представлена на рис. 4.22.
Краткая характеристика
•Устанавливается в 19-ти дюймовую стойку или панель
• Передняя панель соответствует классу защиты IP56/IP52
• 4-х слойная кросс-плата ISA поддерживает все PC совместимые платы
• Специальные прижимные приспособления, защищают платы от вибрации
• Полнофункциональная защищенная мембранная клавиатура с десятью программи руемыми клавишами и хорошим тактильным эффектом
• Источник питания 200Вт, соответствующий стандартам UL/CSA/TUV
• Рабочий диапазон температур: 0-45°С или 0~55°С в зависимости от типа дисплея и комплектации.
Индустриальные рабочие станции серии AWS предназначены для работы в сложных условиях и могут устанавливаться в 79-ти дюймовую стойку или панель. Их прочные передние панели соответствуют стандартам 1Р52/1Р56, содержат дисплей, панель управления и две защищенные мембранные клавиатуры.
Индустриальные рабочие станции серии AWS позволяют выбрать оптимальный дисплей для любого приложения. Компактное семейство AWS-850 предлагает три различные 9.4-ти дюймовые плоские панели (цветной ЖКИ с активной матрицей, черно/белый ЖКИ или электролюминисцентный) с четким и легкочитаемым изображением. Модель AWS-860 с 10-ти дюймовой цветной ЭЛТ (разрешение 1024х768) является наиболее доступной по стоимости.
Доступная и защищенная панель управления
Сетевой переключатель, кнопки блокировки клавиатуры и перезагрузки, регуляторы яркости и контрастности, отсек с НГМД и параллельный порт принтера защищены запираемой на замок дверцей, в то же время оставаясь легко доступными с передней панели рабочей станции. Три светодиода индицируют включение питания, блокировку клавиатуры и обращение к жесткому диску.
Полнофункциональная мембранная клавиатура
Две мембранные защищённые клавиатуры имеют 60 клавиш для ввода данных, 10 функциональных клавиш и 10 клавиш макрокоманд. Клавиши макрокоманд значительно улучшают интерфейс с оператором. Они могут автоматизировать большую часть регулярно используемых последовательностей ввода, расширяя функциональную гибкость прикладных программ.
Выдвижной каркас для плат AWS-860 обеспечивает уменьшение среднего времени ремонта (MTTR). Пассивная кросс-плата AWS-850 обеспечивает простоту установки плат расширения и удобное техническое обслуживание.
AWS-860
Рабочая станция с 10-ти дюймовым цветным дисплеем на ЭЛТ (разре шение 1024 х 768) и 10-ю слотами ISA.
AWS-850CT
Рабочая станция с 9.4-ти дюймовым плоским цветным дисплеем на ЖКИ с активной матрицей (разрешение 640 х 480) и 8-ю слотами ISA
AWS-850M
Рабочая станция с 9.4-ю дюймовым плоским черно-белым дисплеем на ЖКИ (разрешение 640 х 480) и 8-ю слотами ISA.
AWS-850Е
Рабочая станция с 9.4-ю дюймовым плоским электролюминисцентным дисплеем (разрешение 640 х 480) и 8-ю слотами ISA.
Примечание:
Все модели содержат в себе 3.5 дюймовый накопитель на ГМД и контроллер дисплея
Варианты конфигурации
Сконфигурируйте систему, выбрав плату центрального процессора, память и любые дополнительные модули. Если необходима заводская сборка станции – закажите вариант 100.
- Вариант 100:
Услуга по сборке системы
- Вариант 242:
3.5 дюймовый НЖМД ёмкостью 420 МБ
Высокоинтегрированные рабочие станции для применения в заводских условиях представлены в табл. 4.13.
Таблица 4.13
|
Модель |
AWS-860 |
AWS-850CT |
AWS-850M |
AWS-850E |
|
|
Дисплей |
Тип |
Аналог ЭЛТ |
Акт не ЖКИ |
Моно ЖКИ |
Электролюм |
|
Размер по диагонали |
10 дюймов |
94 дюймов |
9.4 дюймов |
9.4 дюймов |
|
|
Макс. разреш. |
1024х768 |
640х480 |
640х480 |
640х480 |
|
|
Число цветов или градации серого |
167М цветов |
512 цветов |
Ч/Б |
16 градаций серого |
|
|
Размер точки (мм) |
0 26 ж 0.26 |
0.3х0.3 |
0 27х0.27 |
0 22х0 22 |
|
|
Угол обзора |
около 1800 |
800 |
500 |
1600 |
|
|
Продолжение табл. 4.13 |
|||||
|
Модель |
Toshiba LTM09C016 или совмест |
Sharp LM64P83 или совмест. |
Sharp LJ64ZU51 или совмест |
||
|
Температура |
0-50 0С |
0-50 0С |
0-45 0С |
0-55 0С |
|
|
Количество слотов ISA |
10 |
8 |
|||
|
Охлаждающие вентиляторы |
3 на задней панели |
2 на передней панели |
|||
|
Электромагнитная совместимость |
Соответствует FCC Класс А |
Удовлетворяет FCC/VDE Класс А |
|||
|
Размер (Ш х В х Гл) |
Дюймы |
19х105х161 |
19х105х29 |
||
|
мм |
482х266х410 |
482 66 200 |
|||
|
Вес |
фунты |
528 |
26 |
||
|
кг |
24 |
12 |
|||
|
Питание |
Характе ристики |
200Вт макс; +5В при 25A, +12B при 5А, -5В при 2А, -12В при 2А, MTBF 50.000 часов |
|||
|
Вход |
90- 132В или 180-264 В переменного тока, автопереключение |
||||
|
Безопасностьь |
Соответствует UI/CSA/TUV |
||||
|
Мембранная клавиатура |
60 клавиш для данных, 10 функциональных клавиш (f1 -f10) и 10 программируемых клавиш для макрокоманд (SF1-SF10) |
||||
|
Тип диска (3.5 дюйма) |
1 IDE НЖМД и 1 НГМД |
||||
|
Влажность |
5%-95% при 40 0С. без конденсации |
||||
|
Способ монтажа |
Установка в стойку или панель |
Миниатюрные персональные компьютеры для установки в панели управления представлены на рис. 4.23.
Панельные ПК могут устанавливаться практически везде. Преимущества технологии плоских дисплеев и применение плат половинной длины позволяют обеспечить чрезвычайно компактные размеры. Панельные ПК прекрасно выдерживают промышленные технологии эксплуатации, поэтому устанавливать их можно непосредственно на подлежащих контролю и управлению объектах и агрегатах.
Прочное стальное шасси и защищённая алюминиевая передняя панель соответствуют классам защиты 1Р52/1Р56 (рис. 4.24) – наиболее жёстким стандартам по защите от индустриальных воздействий и воздействий окружающей среды. MiPC-50/52 содержат кросс-плату с 4-мя слотами системной шины ISA (PC/AT совместимые), 65-ваттный источник питания, НГМД и место для НЖМД. MiPC-50 выпускаются с цветным дисплеем на ЖКИ с пассивной матрицей, черно-белым ЖКИ или электролюминисцентным дисплеем.
При необходимости можно добавить внешнюю 20-ти кнопочную или 56-ти кнопочную клавиатуру к MiPC-50. Эти защищенные мембранные клавиатуры являются идеальными для применений в ограниченном пространстве, потому что их можно устанавливать отдельно от дисплея. MiPC-52 содержит в себе встроенную клавиатуру (табл. 4.14).
Сенсорные экраны основаны на резистивной технологии, что обеспечивает их водостойкость и повышенную надёжность. Сенсорные экраны делают взаимодействие с системой более интуитивным, позволяя оператору чувствовать себя ближе к управляемому процессу.
Таблица 4.14
|
Модель |
М1РС-52Е |
MIPC-50CS |
М1РС-50М |
М1РС-50Е |
|
|
Дисплей |
Тип |
Электродлю-мин |
Цв ЖКИ (пасс) |
Mono ЖКИ |
Электродлю-мин |
|
Размер по диагонали |
- |
9.4 дюймом |
9.4 дюймов |
10.4 дюймов |
|
|
Макс. разреш. |
640 х 200 |
640 х 480 |
640 х 480 |
640 х 480 |
|
|
Число цветов или градации серого |
2 градации серого |
256 цветов |
Ч/б |
16 градаций серого |
|
|
Разм. точек (мм) |
0.22 х 0.35 |
0.23 х 0.28 |
02.7 х 0.27 |
0.23 х 0.23 |
|
|
Продолжение табл. 4.14 |
|||||
|
Модель |
Planаr EL640.200 или совместимый |
Sharp IM64C142 или совмест |
Sharp LM64P83 или совместимый |
Planar EL640480 или совместимый |
|
|
Угол обзора |
160 |
60 |
50 |
160 |
|
|
Температура |
0-550 C |
0-400 С |
0-450 С |
0-500 С |
|
|
Мембранная клавиатура |
46 клав+ 10 функционала ных (F1-FIOI |
Используют любую внешнюю клавиатуру или мембранные клавиатуры МiРС-5011/ MiPC-5021 |
|||
|
Питание |
Характеристики |
65Вт мfrс; +58 (50А), +12В (1.7А), .5В/-12В (1.7А); MTBF 50,000 часов |
|||
|
Вход |
100~240В переменного тока, автоматическое переключение |
||||
|
Безопасность |
соответствует UL/CSA/TUV |
||||
|
Тип диска (3.5") |
1 IDE НЖМД и 1 НГМД |
||||
|
Электромагнитная совместимость |
Соответствует FCC/VDE Класс А |
||||
|
Охлаждающие вентиляторы |
1 на боковой панели |
||||
|
Размер (ШхВхГл) |
Дюймы |
11.8х8.5х6.0 |
|||
|
мм |
30х215х152 |
||||
|
Вес |
Фунты |
15.4 |
|||
|
кг |
7 |
||||
|
Слиты ISA |
4, для плат половинной длинны |
||||
|
Влажность |
10%-95% при 400 С, без конденсации |
||||
|
Способ установки |
Установка в панель |
Типы промышленных ПК:
MIPC-50CS Компактный промышленный ПК с 9.4-ти дюймовым цветным дисплеем на пассивной матрице
MIPC-SOM Компактный промышленный ПК с 9.4-ти дюймовым черно-белым дисплеем на ЖКИ
М1РС-501 Компактный промышленный ПК с 10-ти дюймовым электролюминесцентным дисплеем
MIPC-521 Компактный промышленный ПК с электролюминесцентным дисплеем 640 х 200 и мембранной клавиатурой на 56 клавиш MiPC-5011
Мембранная клавиатура на 20 клавиш
М1РС-5021 Мембранная клавиатура на 56 клавиш
Примечание! Все модели содержат 3.5 дюймовый НГМД и контроллер дисплея.
Варианты конфигурации. Можно сконфигурировать систему, выбрав плату центрального процессора, память и любые дополнительные модули.
Если необходима заводская сборка системы – применяется вариант 100.
Вариант 100: Услуга по сборке системы
Вариант 112: Установка и интеграция резистивного сенсорного экрана (для MiPC-50C/M/E)
Вариант 242: 3.5 дюймовый НЖМД ёмкостью 420 МБ
Основные характеристики:
PC-610 – это прочное стальное шасси промышленного ПК для монтажа в 19-ти дюймовую стойку или для автономной работы. 14-ти слотовая кросс-плата с шиной ISA совместима с любыми PC/XT/AT совместимыми платами. Шасси защищает систему от ударов, вибрации, пыли и экстремальных температур, характерных для суровых промышленных условий.
6-ти слоговое настенное шасси:
Шасси для настенного монтажа и встроенных применений:
IРС-610/250: IРС-610 с 250-ваттным источником питания;
IРС-6806 6-ти слотовое шасси для настенного монтажа;
МВРС-640 3-х слотовое шасси MicroBox;
IРС-6010 8-ми слотовый каркас для плат с шиной ISA;
Варианты конфигураций зависят от выбранной платы центрального процессора, памяти и любых дополнительных модулей.
Одноплатные компьютеры для промышленного применения представлены таблице 4.15, а общий вид на рис. 4.25
Плата половинного размера с 486 процессором и Флэш/ПЗУ диском.
Существует возможность выбора из законченного семейства процессорных плат как полноразмерных, так и половинной длины. Каждый тип плат может быть приспособлен для различных применений заменой центрального процессора, конфигури рованием памяти или добавлением сопроцессора. Можно даже расширить их функции, присоединив через специальный разъем дополнительные модули.
Если необходима плата на 286 процессоре для низко скоростного контроллера или высококлассная система на Pentium, возможен выбор экономичного и эффективного решения.
Некоторые основные характеристики процессорных плат: (рис. 4.26)
Пассивные кросс-платы
Таблица 4.15
|
Модель |
Число слотов |
Тип шины |
Число сегментов |
Размер (мм) |
|
РСА-6120ММ |
20 |
ISA |
4 |
417 х 200 |
|
PCA-6114D |
14 |
ISA |
2 |
315 х 175 |
|
Продолжение табл. 4.15 |
||||
|
СА-6П4 |
14 |
ISA |
1 |
315 х 175 |
|
PCA-6112D |
12 |
ISA |
2 |
265 х 175 |
|
РСА-6П2 |
12 |
ISA |
1 |
265 х 175 |
|
РСА-6108 |
8 |
ISA |
1 |
221 х 170 |
|
РСА-6106 |
8 |
ISA |
1 |
142 х 175 |
|
РСА-6103 |
3 |
ISA |
1 |
72 х 190 |
Из таблицы 4.16 можно выбрать процессорную плату.
Таблица 4.16
|
Модель |
РСА-6147 |
РСА- 6143Р |
РСА6137 |
6134Р |
6133 |
РСА- 6126D |
РСА-6123 |
|
Шина |
ISA |
ISA |
ISA |
ISA |
ISA |
ISA |
ISA |
|
Длина платы |
Полная |
Половинная |
Полная |
Половинная |
Половинная |
Полная |
Половинная |
|
Тип процессора |
4860X4-100 |
486DX2-66 |
386DX-33 |
386SX-33 |
386SX- 25 |
286-16 |
286-16 |
|
Размеры (мм) |
333х122 |
185x122 |
338х122 |
185х122 |
185х122 |
338х122 |
185 х122 |
|
Набор микросхем |
SIS 85С461 |
All 1219 |
SIS 85С461 |
All 1217 |
CHIPS SCATsx |
НТ-12 |
НТ-12 |
|
Продолжение табл. 4.16 |
|||||||
|
BIOS |
AMI |
AMI |
AMI |
AMI |
CHIPS |
AMI |
AMI |
|
Динамич. ОЗУ |
1-64МБ |
1-32МБ |
1-64МБ |
1-16МБ |
512К-16МБ |
512К-4М& |
512К-4МБ |
|
Флэш/ПЗУ диск |
144 МБ |
144 Mb |
144 МБ |
1.44 МБ |
1.44 MB |
— |
|
|
Кэш-память |
256 Kb , |
8 КБ (on-chip) |
128 КБ |
— |
— |
— |
— |
|
Сопроцессор |
Встроенный |
Встроенный |
803870Х |
80387SX |
80287 |
80287 |
|
|
Часы реального времени |
Да |
Да |
Да |
Да |
Да |
Да |
Да |
|
Сторожевой таймер |
Да |
Да |
Да |
Да |
Да |
Да |
Да |
|
Контроллер НЖМД |
2 |
2 |
2 |
2 |
2 |
2 |
2 |
|
Контроллер НГМД |
2 |
2 |
2 |
2 |
2 |
2 |
2 |
|
Параллельный порт |
Двунаправл.(ЕСР/ЕРР) |
Двунаправл.(ЕСР/ЕРР |
Двунаправл.(ЕСР/ЕРР |
Двунаправл.(ЕСР/ЕРР |
Да |
Да |
Двунаправл. |
|
Последователь-ный порт |
lxRS-232 lxRS- 422/485/2 32 |
lxRS-232 lxRS- 422/485/2 32 |
lxRS-232 lxRS- 422/485/2 32 |
lxRS-232 lxRS- 422/485/2 32 |
2xRS-232 |
2xRS-232 |
lxRS-232 lxRS- 422/485 |
|
Тест при включении |
Да |
Нет |
Да |
Нет |
Her |
Нет |
Да |
|
Электропи-тание |
+5V, ±12V |
+5V |
+5V, ±12V |
+5V |
+5V |
+5V, ±12V |
+5V |
|
Шина расширения |
PC/104 |
PC/104 |
PC/104 |
PC/104 |
Да |
Нет |
Да |
|
Диапазон температур |
0-60 С |
0-60C |
0-60C |
0-60C |
0-60C |
0-60C |
0-60C |
Pentium является самым передовым процессором фирмы Intel с 64-х разрядной шиной данных и внутренней кэш- памятью на 16 КБ. Он имеет такие усовершенствования по сравнению с 80486 как суперсовременная архитектура, конвейерное выполнение операций с плавающей точкой и более короткое время выполнения команд.
Характеристики: Процессор: Pentium 60/66 МГц Набор: Intel 82430 (Mercury) Шинный интерфейс: PCI и ISA Скорость шины - ISA: 8МГц - PCI: 30 МГц при 32-битах (33 МГц для 66 МГц Pentium) Кэш память: 256 КБ кэш памяти второго уровня Объём памяти: от 2 МБ до 192 МБ Интерфейсы ввода-вывода: – Контроллер SCSI-II: NCR53C810 через локальную шину PCI – Контроллер жёсткого диска: 2 IDE (максимально до 4 НЖМД) – Контроллер дисковода: 1 НГМД (максимально до 2 НГМД) – Последовательный порт: 2хRS-232 – Параллельный порт: 1 двунаправленный параллельный порт, поддерживает ЕСР/ЕРР Сторожевой таймер: 12-ти уровневый программи руемый интервал времени срабатывания (0.5 – 1008 секунды) Размеры: 334 мм х 122 мм (13.1" х 4,8") Рабочий диапазон температур: от 0 до 60°С.
Шина PCI может обеспечить среднюю скорость передачи данных 80 Мб в секунду при пиковом значении скорости в 132 Мб/сек. Это в 10 раз быстрее, чем у шины ISA, что делает PCI самой быстрой шиной на рынке ПК (рис. 4.27).
Пассивные кросс-платы (с шиной PCI) представлены в табл. 4.17
Таблица 4.17
|
Модель |
Описание |
Размер (мм) |
|
РСА6108РЗ |
4 х ISA, 3 х PCI и 1 слот для процессора |
220 х 330 |
|
РСА-6114РЗ |
9 х ISA, 3 х PCI и 1 слот для процессора |
316 х 300 |
4.6. Устройства индикации, записи и хранения информации
Классификация и характеристики устройств отображения информации
Элементы индикации предназначены для преобразования электрических сигналов в видимые, удобные для визуального наблюдения.
В зависимости от физических эффектов, лежащих в основе преобразования электрических сигналов в видимые, элементы индикации подразделяются на активные и пассивные (рис. 4.28). К первой группе относятся приборы на основе светогенерационных эффектов. Принцип действия индикатора второй группы основан на изменении коэффициентов отражения пропускания, поглощения и на вращении плоскости световых волн.
К основным параметрам элементов индикации относятся: яр кость, контрастность, освещенность, угол обзора, информаци онная емкость, напряжение питания, потребляемый ток и др.
Яркость (В) – физическая величина определяемая выражением
,
где I – сила света; S – площадь поверхности светящегося тела в заданном направлении.
Единицей измерения яркости в системе СИ является кандела на квадратный метр, кд/м2.
Коэффициентом контрастности (К) называют величину, рав ную отношению яркости самого светлого участка изображения Вmax яркости самого темного его участка Bmin
.
Оптимальным коэффициентом контрастности считают значе ние в пределах от 0,65 до 0,95.
Освещенность (Е), являясь одним из основных параметров пас сивных элементов, характеризует световой поток на единицу пло щади, лк:
.
Минимальная освещенность для чтения составляет 20 лк.
Углом обзора (α) называют максимальный угол наблюдения, при котором возможно считывание информации. Для различных элементов индикации а лежит в пределах от 20 до 70°.
Информационная емкость индикатора определяется числом уп равляемых светящихся элементов прибора.
Наибольшее распространение среди элементов индикации по лучили полупроводниковые, газоразрядные и жидкокристалли ческие (ЖК) индикаторы.
Полупроводниковые индикаторы
Активным элементом полупроводниковых индикаторов явля ется светоизлучающий диод (СИД). В основе работы СИД лежит явление инжекционной люминесценции, наблюдаемой в некото рых полупроводниках при рекомбинации электронов и дырок в области р–n-перехода. Светоизлучающие диоды применяют авто номно в виде семи-, восьми-десятисегментных знакосинтезирующих индикаторов (рис. 4.29,а–в) либо набирают в матричные и мозаичные одноцветные или многоцветные панели (рис. 4.29,г). В зависимости от размера символа в каждом сегменте может использоваться либо один, либо несколько последовательно вклю ченных светоизлучающих диодов. Высота символа в индикаторе колеблется от 2,5 до 18...25 мм.
Наиболее универсальными являются матричные полупровод никовые индикаторы, позволяющие отображать арабские цифры от 0 до 9, римские цифры, буквы русского и латинского алфави тов, различные знаки и символы. Такие индикаторы представля ют собой матрицы (панели), содержащие, например, 7x5 или 8x5 светоизлучающих диодов, соединенных так, что для высвечива ния конкретной световой точки необходимо подать напряжение на выводы соответствующих строки и столбца.
Полупроводниковые СИД отличаются высоким быстродействи ем, большим сроком службы, высокой яркостью (порядка тыся чи кандел на квадратный метр), а совместимость их по выходным параметрам с ИС позволяет их широко использовать в современ ной аппаратуре. Рабочее напряжение одного светоизлучающего диода лежит в интервале от 1,5...2,5 В, а ток – 3...20 мА.
Газоразрядные индикаторы
В основе работы газоразрядных индикаторов лежит явление све чения газа при электрическом разряде. Цвет излучения опреде ляется природой газа (неон дает оранжевое свечение, гелий и аргон – соответственно желтое и фиолетовое), а при непрямом преобразовании электрической энергии цвет зависит от типа ис пользуемого фотолюминофора.
Во всех газоразрядных индикаторах используют режим тлею щего разряда с холодным катодом при давлении газа порядка не скольких сотен паскалей.
Широко распространены газоразрядные элементы, у которых катоды выполнены в виде цифр, расположенных одна под другой. При подаче напряжения между анодом и катодом, превышаю щим напряжение зажигания, возникает тлеющий разряд, охваты вающий всю поверхность катода. В результате отображается соот ветствующая цифра.
Когда нет необходимости в отображении цифровых данных, используются линейные газоразрядные индикаторы, информация на которых представляется в виде изменяющегося числа светя щихся точек относительно начала шкалы.
Газоразрядные индикаторные панели, представляющие собой двухкоординатную матрицу с числом элементарных газоразряд ных ячеек порядка 104... 105, способны накапливать и обрабаты вать информацию. В настоящее время разработаны панели посто янного и переменного токов, в том числе и с внешними запоминающими устройствами.
Особенностью рассмотренных индикаторов является необхо димость использования источника питания, напряжение которого лежит в пределах сотен вольт. Применение таких приборов в
современной низковольтной аппаратуре, выполненной на интег ральных схемах, усложняет ее.
Жидкокристаллические индикаторы
Жидкие кристаллы являются органическими материалами, представляющими промежуточную фазу между твердой и изо тропной жидкими фазами. Жидкокристаллическое состояние об наруживается у веществ с удлиненной формулой молекул, упоря доченное расположение которых обеспечивается относительно сла быми дальнодействующими силами.
Поскольку межмолекулярные силы довольно малы, структура ЖК в значительной степени зависит от воздействия внешних фак торов: температуры, механических деформаций, электрических и магнитных полей и т. п.
Реакция ЖК на эти воздействия в основном проявляется в из менении их оптических свойств.
Принцип действия выпускаемых жидкокристаллических инди каторов (ЖКИ) основан на различных электрооптических эффек тах, возникающих при взаимодействии излучения с ЖК, но наи более широкое распространение получили явление динамическо го рассеивания света и «твист-эффект».
В индикаторах, использующих эффект динамического рассея ния света, при приложении электрического поля напряженно стью порядка 105... 106 В/м прозрачное вещество (жидкий кри сталл) мутнеет вследствие появления множества центров рассея ния света. На однородном фоне появляется рисунок, яркость ко торого превышает яркость фона.
В индикаторах на основе «твист-эффекта» изменение интен сивности светового потока происходит в результате изменения плоскости поляризации света. Помещая на входе и выходе ячей ки, поляроидные пластины преобразуют модуляцию векторов поляризации света в изменение яркости ячейки. Изменением на пряжения на электродах можно регулировать светопропускание оптической ячейки.
Индикаторы питаются переменным током. Ток потребления составляет десятки микроампер, а напряжение – от 3 до 24 В.
Жидкокристаллические индикаторы нашли широкое примене ние для изготовления дисплеев, крупноформатных табло, цифро вых индикаторов, цифровых измерительных приборов и т. п.
Основными преимуществами «ЖКИ являются: хороший кон траст при ярком освещении, низкая потребляемая мощность, со вместимость с интегральными схемами по рабочим параметрам и конструктивному исполнению, сравнительная простота изготов ления и низкая стоимость.
Наибольшее распространение в современ ных ИИС получили алфавитно-цифровые и графические дисплеи.
В них применяются электронно-лучевые трубки, в которых размещаются 1024х2048 или 1024х1024 точек.
Дисплеи (электронные пульты) в интерактивном (диалоговом) режиме позволяют производить графические работы.
Типы дисплеев, применяемых отечественной промышленностью Samsung 14”-15”; View Sonic 14”-21”; Pana sonic 14”-21”; Octagon Systems 14”-21” (инду стриальные). Широкое применение получили цветные дисплеи с активной матрицей и электролюминесцентные дисплеи.
Для регистрации и хранения информации применя ются различные самописцы, осцилло графы, цифропечатаю щие устрой ства и др. Запись на различных носителях бумага, маг нит ная лен та, флоппи диск, ком пакт диск.
Наиболее распространены устройства печати HP LaserJet 5L 4SP, Ca non BJ-10SX, Epson Stylus 820. На выходе ИИС могут также использоваться графопостроители, предназначенные для вычерчивания с высокой точно стью графического изображения. Различают несколь ко принципов действия графопостроителей, например цифровое слежение, с по мощью шаговых двигателей, развертывающая регистрация и др.
На рис. 4.30 приведены используемые в ИИС устройства индикации.
Вопросы для самопроверки:
PAGE 127