10.4. Устройства сопряжения эвм с объектом управления

Для ввода непрерывных сигналов от датчиков в регулятор, построенный на базе ЭВМ, и для передачи цифрового управляющего воздействия на привод системы управления, требующий обычно сигнала в аналоговой форме, используются аналого-цифровые (АЦП) и цифроаналоговые (ЦАП) преобразователи. В специализированных ЭВМ АЦП и ЦАП располагают непосредственно в ЭВМ.

ЭВМ общего назначения должна быть оснащена дополнительным внешним устройством связи с объектом (УСО), предназначенным для сбора сигналов от датчиков и преобразования их в цифровую форму, а также для преобразования управляющих воздействий в аналоговую форму. Дополнительно в функции УСО может входить коррекция нелинейности характеристик датчиков, устранение систематических погрешностей и первичная обработка данных. В этом случае главной функцией ЭВМ является запись данных от УСО на магнитный диск и обслуживание дисплея.

Различают пассивные УСО, работающие под контролем центральной ЭВМ, простые, дешевые, но сравнительно медленные, так как их быстродействие ограничивается быстродействием самой ЭВМ, и активные УСО, построенные на базе отдельной микро-ЭВМ, практически не требующие ресурса центральной вычислительной машины, в которую они входят, по быстродействию часто ее превосходящие и пригодные для сложной обработки данных. Иногда обработка данных в УСО настолько сложна, что УСО представляет собой специализированную ЭВМ, по сложности пре­восходящую ЭВМ, для которой применяется данное УСО.

Алгоритм работы активных УСО определяется программами, загружаемыми в УСО из ЭВМ, что повышает гибкость УСО. Передача слабых сигналов отдатчиков по длинным линиям связи к ЭВМ нежелательна в связи с искажающим действием помех, поэтому часто используют удаленное (от центральной ЭВМ) УСО, предельно приближенное к датчикам и соединенное с центральной ЭВМ, сетью или цифровой линией связи, значительно превосходящей по помехоустойчивости аналоговые линии связи с датчиками. Удаленное УСО — обязательно активное, так как для обслуживания цифровой линии передачи требуется микропроцессор.

Обычно УСО способны обрабатывать следующие виды входных сигналов:

аналоговый, при этом измеряемая величина кодируется уровнем напряжения с датчика. Сигнал подвержен влиянию помехи, меняющей уровень напряжения, поэтому чем короче линия связи между датчиком и УСО, тем меньше влияние помехи и точнее данные. Сигнал в УСО проходит через АЦП для преобразования в цифровую форму;

импульсный последовательный, в этом случае измеряемая величина кодируется серией импульсов постоянного уровня (обычно 5,12 В), например сигнал от фотодатчика перемещения. Электромагнитные помехи незначительно изменяют амплитуду импульсов, не изменяя их числа, поэтому помехоустойчивость такого сигнала выше и линии связи могут быть длиннее. Сигнал не пропускается через АЦП;

импульсный параллельный, измеряемая величина которого кодируется набором импульсов (8... 12 шт.) напряжением около 5 В, поступающим параллельно одновременно, например, с цифрового вольтметра. Сигнал помехоустойчив, не требует преобразования в цифровую форму;

инициативный импульсный сигнал, например аварийный сигнал от конечного выключателя. Виды выходных сигналов УСО:

дискретный импульсный последовательный сигнал, например импульсы, подаваемые на шаговый двигатель или реле;

аналоговый сигнал, например, поступающий на вход усилителя для управления электродвигателем.

Подсистема аналогового ввода УСО предназначена для дискретизации входных аналоговых сигналов по времени и уровню

Рис. 59. Аналоговые подсистемы ввода (а) и вывода (б, в) устройства связи с объектом

а также кодирования результатов обычно целым числом. Подсистема включает в себя (рис. 59, а):

3. устройство управления, которое получает из ЭВМ номер опрашиваемого канала (номер датчика), выдает на коммутатор номер канала, а на преобразователь — коэффициент усиления для масштабирования сигнала, принимает от АЦП цифровой код замера и передает код в ЭВМ;

4. коммутатор (мультиплексор или переключатель), выполняемый обычно на быстродействующих полупроводниковых ключах (время переключения, включая время стабилизации выходного сигнала, составляет 1...3 мкс) и соединяющий заданный датчик с преобразователем;

5. преобразователь, приводящий сигналы от разных датчиков Д к стандартному интервалу входных напряжений АЦП для уменьшения погрешности АЦП;

6. специальный АЦП, преобразующий аналоговый сигнал в цифровой код, поступающий на объект управления ОУ.

Подсистема аналогового вывода предназначена для преобразования серии чисел поступающих из ЭВМ на УСО, в непре­рывный аналоговый сигнал X(t) путем экстраполяции уровня выходного сигнала по времени до прихода следующего входного числа Х,+\. Подсистема (рис. 59, б) состоит:

7. из устройства управления, принимающего от ЭВМ номер выходного канала и код уровня сигнала, передающего код на ЦАП и номер выходного канала на коммутатор;

8. экстраполяторов, прогнозирующих по истории сигнала его изменение для времени после прихода последнего кода ,(часто вместо прогноза интерполятор поддерживает на выходе постоянное напряжение, соответствующее последнему коду при этом на каждый выходной канал нужен свой экстраполятор.

Часто используют пары ЦАП—экстраполятор (рис. 59, в).

Встроенные УСО подключаются через контроллер непосредственно к шине ЭВМ, чем обеспечивается высокая скорость передачи данных между УСО и ЭВМ (порядка 5 Мбайт/с). Удаленные УСО подключаются к ЭВМ через цифровую линию связи и так называемый последовательный интерфейс ЭВМ, когда биты передаются последовательно по 3- или 4-жильному кабелю (1 или 2 жилы используются для управления передачей) со скоростью порядка 1 ...2 Кбайт/с на расстояние до 15 м.