Л.: Новоселов, Фомин

Гук М. «Интерфейсы ЭВМ».

1. Типовые способы ввода. Роль интерфейсных схем.

Любая современная информационная система строится на основе ЭВМ того или иного класса. Представление информации в ЭВМ – дискретные двоичные коды, в то время как любой объект имеет параметры непрерывные, поэтому обязательным условием для ввода параметров объекта считается наличие интерфейсных схем. Часто эти схемы имеют следующее наименование: адаптер ввода, устройство связи с объектом (УСО), модуль ввода.

Рис. . Ввод параметров объекта в ЭВМ

с помощью интерфейсной схемы.

Основные функции интерфейсных схем:

1. Преобразование информации из одной формы представления (аналоговой) в цифровую с заданной точностью.

2. Мультиплексирование входных информационных потоков выстраивая их в своеобразную очередь для непосредственного ввода информации.

3. Согласование во времени входных потоков в ЭВМ. Для этого согласования интерфейсные схемы имеют устройства памяти. Входная информация преобразуется в цифровую форму и записывается в память интерфейсного модуля. Преобразование и запись может выполняться последовательно для каждого канала, параллельно и одновременно для каждого канала и комбинированным способом. Преобразованный результат хранится в памяти модуля. После окончания цикла преобразования из памяти полученные результаты пересылаются в ЭВМ.

а) последовательная

б) параллельная

Рис. . Интерфейсные схемы с устройствами памяти.

Любой модуль ввода характеризуется:

1) Время преобразования сигнала – время ввода. Это время согласно теореме Котельникова не должно превышать Δt ≤ 1/2f_в. При мультиплексированном вводе Δt определяется суммой времен преобразования по каждому каналу.

Δ t≤ Δt₁ + Δt₂ + …+ Δt_n

N – число вводимых сигналов (каналов).

Δt ≤ 1/2f_в·N

Вывод: мультиплексированный ввод информации используют при низких частотах входных сигналов. Если такой способ требует малых значений времени преобразования Δt, которые технически затруднены, используют параллельный ввод информации или параллельные схемы.

2) Погрешность представления сигнала. δ ≤ δ_доп. Суммарная погрешность должна быть меньше или равна допустимой погрешности преобразования. В первую очередь анализируют требуемую разрядность АЦП. Абсолютная погрешность АЦП оценивается как δ_АЦП = 1/(2ⁿ –1) – интервал квантования. Реальные модули имеют АЦП с разрядность 8; 10; 12; (14); 16. чем выше разрядность преобразования, тем меньшая погрешность представления у модуля.

3) Число каналов ввода и типовых модулей 1 – 256. Это достигается, как правило, мультиплексированием. Модули с малым числом каналов более быстрые.

4) Конструктивное исполнение.

Модули ввода могут быть:

1. Встраиваемые. Модуль не имеет внешнего кожуха и собственного источника питания. Ориентирован на типовой разъем вычислителя, например, машинку PCI (ISA).

2. Самостоятельные конструктивные модули с нешироким спектром параметров.

3. Типовые системы ввода. Конструктивно выполнены в виде стоек с множеством отдельных ячеек, нескольких блоков.

2. Система САМАС (КАМАК)

Система ввода информации получаемой в результате физических экспериментов с объектами, имеющими множество параметров. Была разработана для исследования характеристик объектов в ядерной энергетике. Представляет из себя модульную конструкцию, для которой число входных сигналов может быть переменным и максимальное число (23х7)х3 = 483.

Структурно САМАС представляет из себя стойку с крейтами – блоки – корзина. Число крейтов в одной стойке до 7. Число стоек – 1; 2;3.

Крейт – это конструкция типа прямоугольника с направляющими, которые вставляются в модули крейта.

Крейты в стойке объединяются по шине, которая названа ветвью крейта. Число разрядов адреса в шине – 5. Число разряда данных (точность) 24 разряда (3 байта). Разрядность 24 позволяет передавать одновременно 3 байта информации при 8 разрядных АЦП.

Шины управления – выбор крейтов, запуск преобразования, чтения и т.д.

Шина объединяющая крейты подключается к ЭВМ через стандартный разъем.

Крейт – конструктивная единица в системе, включается 25 позиций подмодулей, 23 из которых занимают измерительные модули и две крайних позиции – контроллер (схема управления крейтом). Контролер последовательно опрашивает каждый модуль и подключает шину данных к шине ветви (к входу ЭВМ).

Порядок работы системы:

- проводится коммутация входных сигналов.

- измерения по всем сигналам одновременно. Результаты измерений фиксируются в выходном регистре измерительного модуля.

- последовательно информация с каждого модуля вводится в ЭВМ. ---

- после ввода последнего слова информации система готова к следующему циклу измерения.

Система разработана достаточно давно и элементная база устарела, насегодня используют этот принцип, но с новыми крейтами. Непосредственно ветви как таковой уже нет. Крейт подключается по последующему интерфейсу к ЭВМ. В случаях расширения входных сигналов два или несколько крейтов объединятся по последовательному интерфейсу (com. рort – связной порт).

Система САМАС является типовым представителем автоматизированных систем ввода информации в ЭВМ. Используя принцип одновременного измерения в ней формируется наибольшая точность (динамические ошибки сведены к минимуму), число измеряемых сигналов также большое. Недостаток – самостоятельный конструктив, значительной энергопотребление.

Сопряжение блоков САМАС с ПЭВМ.

На сегодня крейты САМАС подключаются по последовательной ветви через типовой порт ПЭВМ, последовательный порт – com. рort. Для этой цели в каждом крейте добавляется модуль сопряжения шины крейта с последовательным портом.

Рис. . Схема подключения крейта САМАК.

2. Канал общего пользования (КОП) – приборный интерфейс представленный для ввода цифровой информации в вычислитель.

Особенности КОП:

1) в качестве источников сигналов служат типовые цифровые измерительные приборы, на которых имеется разъем с надписью КОП. На этом разъеме измерительный прибор дублирует тот цифровой код, что поступает на индикаторы. Разъем включает также служебные сигналы: внешний запуск, сигнал готовности результата, ошибки (переполнения) и признаки измерения.

Таким образом, с измерительного прибора мы можем с помощью шлейфа и контроллера канала общего пользования ввести результат измерения в ПЭВМ. Ввод осуществляется через параллельный порт (МРТ). В простейшем случае для получения результатов измерения одной физической величины контроллер может отсутствовать, но необходима программа, которая запускает цикл измерения прибора, анализирует готовность результата и читает непосредственно результат. Контролер выполняет роль буферной памяти и в зависимости от ее объема может работать с числом каналов до 8. Промышленность выпускала типовые контролеры КОП с соответствующей программной поддержкой. Скорость ввода невысокая. Число циклов чтения меньше 100 в секунду. По своим возможностям Коп может обслуживать физический эксперимент, источником информации, в котором являются типовые цифровые измерительные приборы. Результат измерения представляется двоично-десятичным кодом потетрадно – каждый десятичный разряд индикатора прибора описывается четырьмя двоично-десятичными разрядами.

Рис. . Схема подключения КОП.

Информация по КОП пересылается байтами. 8 разрядов – два десятичных разряда.

Сравнивая систему САМАС и КОП следует заметить, что их приоритетное применение различно:

САМАС – для ввода информации с быстрых источников, число которых значительно. КОП – медленный эксперимент с несколькими физическими величинами.Входная информации для крейтов САМАC– аналоговая. Преобразование в цифры выполняет модуль крейта. Для КОП входная информация – двоично-десятичный код, то есть непосредственное преобразование в цифру выполняет сам прибор.

Современные электрические измерительные приборы имеют встроенный контроллер и последующий интерфейс, что позволяет подключать такие приборы к типовому интерфейсу ПЭВМ.

Рис. . Схема подключения электрических измерительных приборов к ПЭВМ.

Главный недостаток таких систем – необходимость иметь электрический измерительный прибор с той или иной формой выходного сигнала.

Построение ИИС на основе встраиваемых модулей

Измерители и вычислители нашли общее поле деятельности в использовании персональных ЭВМ для измерения аналоговых величин путем применения встраиваемых в ПЭВМ измерительных модулей.

Модуль имеет стандартные типоразмеры и разъем вставляемый в шину расширения ПЭВМ PCI (ISA). Поскольку первоначально в ПЭВМ широко использовалась шина ISA, было разработано немало модулей аналоговых сигналов встраиваемых в эту шину. Поскольку в последней архитектуре ПЭВМ шина ISA исключена, то приходится выбирать лишь модули ввода для шины PCI.

Промышленность выпускает разнообразные по характеристикам модули ввода: от одноканальных с частотой сигнала до 10- МГц до многоканальных 128 каналов со скоростью ввода порядка 1 кГц, т.е. чем больше сигналов необходимо ввести, тем ниже верхняя частота спектра этих сигналов. Разрядность по данным у таких модулей 8 разрядов, 10, 12, 16.

Любая ПЭВМ – типовой конфигурации находится на обслуживании. Поэтому типовые способы сопряжения не изменяют условий обслуживания – если в шину PCI добавить стандартный модуль это не изменяет условий гарантии. Если на ПЭВМ заменить даже одну гайку – гарантия снимается.

Встречаемые модули требуют соответствующей программной поддержки – DRAIVER, которые обеспечивают ввод измеряемой информации в память ЭВМ и предоставляют эту информацию на экран монитора и вывода на принтер.

Вместе с модулем ввода следует приобрести и программную поддержку.

ИИС на основе СМЭВМ.

Для цели промышленного применения – управления параметрами различных технологических процессов были разработаны семейства ЭВМ в том числе семейства малых ЭВМ (СМ ЭВМ). Типовая конфигурация СМ ЭВМ предусмотрела возможность ввода и вывода как аналоговой, так и релейной (низкий и высокий уровни) информации. Прежде всего, это информация с различных первичных источников – датчиков; концевых выключателей (1 и 0); параметрических датчиков (уровень сигналов); числоимпульсных датчиков.

Рис. . Схема подключения УСО.

Сопряжение процесса и первичных источников выполнялось с помощью специального блока.

УСО – устройство связи с объектом.

Функции УСО:

1) Преобразование аналоговой и число-импульсной

информации в двоичный код.

2) Циклический опрос источников информации

3) Поддержание требуемой точности преобразования.

Сопряжение – согласование сигналов от первичных источников и сигналов с шины ЭВМ. Блок УСО подключался к шине ЭВМ через промежуточный адаптер.

УПД – устройство программного доступа – адресного доступа, как правило, память ЭВМ.

ПС – программируемая секция – контролер внешнего устройства, например, внешнего запоминающего устройства. По своим функциональным возможностям УСО имеет широкие характеристики: число каналов аналогов ввода до 1000. Это объясняется широким диапазоном применения таких комплексов. Минимальные параметры Порядка 10 (УСО).

УСО требовало соответствующей программной поддержки, т.е. процесс ЭВМ переключается на обслуживание ввода запуском специальных программ. Скорость ввода 100 кБИТ/с. Это быстродействие определялось невысокой производительностью самого процессора.

Подобная конфигурация оформлялась в виде информационно-вычислительных комплексов ИВК-7; 11; 13. Различие в количестве и характеристике устройства связи с объектом, поскольку использовалась ЭВМ СМ 1840.

ИВК на основе СМ размещались не только в производственных целях, но и на судах как исследовательских, так и военных. Обработка радиолокационной информации выполнялась на основе таких комплексов Системы дальнего обнаружения «AVAХ».

Анализ качества электрической энергии

В связи с повышением требований к различным характеристикам электрического сигнала ввели понятие качества электроэнергии. Это понятие закреплено соответствующими нормативными документами – ГОСТом, в котором отражено порядка 60 характеристик, которые измеряют (вычисляют) для полного анализа электрического сигнала.

Особенность этих измерений необходимость автоматизированного съема информации о сигнале, т.е. для получения характеристик обязательна ИИС, позволяющая в реальном времени получить конкретные характеристики. В основе измерений характеристики качества – автоматизированное получение отсчетов сигналов, накопление их и обработка.

Согласно ГОСТа измерения для оценки качества выполняется в течение 24 часов периодически. Число измерений в одну минуту 18, а если учесть, что для проведения одного измерения сигнала нам нужно не менее 20 отсчетов, то общее число получается значительным.

Особенности:

- в результате текущих измерений получают основные характеристики сигнала по напряжению

- максимальное значение фазного напряжения, максимальное значение линейного напряжения;

- действующие значения напряжения во всех фазах;

- постоянная составляющая напряжения;

- коэффициенты амплитуды, формы и гармоник;

- отклонение от нормального значения действующего и амплитудного значения по всем фазам.

Для характеристики текущего значения производится управление по всем перечисленным параметрам на интервале 1 минута, т.е. все 18 значений «усредняются» - рассчитывается среднеквадратическое отклонение (СКО) от нормального.

Измерительная система фиксирует СКО от номинальных. Значений усредненных на интервале. Согласно ГОСТу эта величина определена ±5%. Если результата не превышает 5% отклонения, следовательно характеристики сигнала соответствуют номинальным.

В основе системы – универсальные цифровые PV, измеряющие характеристики, либо модули ввода информации, имеющие погрешность не хуже 1%.

Согласно ГОСТа первичная величина (значение текущего мгновенного значения) должна быть измерена не хуже δ ≈ 2%.

Опыты с изменениями класса точности (погрешности) входящего измеряющего прибора показали, что 5% отклонение может быть получено при использовании приборов с погрешностью 3,0 – 3,3%. Это значение (3,0>2) указывает на то, что измеряемые величины могут выходить за пределы ……… значений, а результат останется в пределах 5%.

Структура такой системы:

Рис. . Структура системы.

Анализ качества проводится в целях изучения состояния источников (приемников) электроэнергии. Может оказаться, что генерирующее предприятие выдерживает требования по характеристикам, а потребители в силу реактивных нагрузок и неправильного распределения по фазам измеряют эти характеристики.

Проблема контроля качества – проблема обоюдная. Должна решаться и поставщиками и потребителями совместно. Установка таких систем на подстанциях, в том числе низкого уровня 10/0,4кВ.

Система дистанционного учета потребления электроэнергии

Оперативный учет потребления (расхода) электроэнергии позволяет быстро выполнить перекоммутацию в случае возникновения проблем, более строго учитывать количество потребляемой энергии, последнее наиболее важно во взаимоотношениях поставщик-потребитель. Оперативно учитывать малые мощности, конечно же не эффективно, поэтому подобные системы находят применение на подстанциях, через которые переносятся значительные мощности. В основе систем учета – принцип телеизмерений. В энергетике в связи с протяженными объектами телеизмерения считаются основным способом получения измерительной информации. Примерами объектов являются: системы релейной защиты, промежуточные контакты контроля параметров. Как правила характеристики систем телесигнализации разделяют на две группы.

1. Релейные сигналы (включить, выключить№; замкнуто, разомкнуто). Для передачи информации о таких сигналах используют фиксированные линии уровни тока в линии телесигнализации по 2 проводникам от источника к проводнику протекает ток; низкий уровень тока – выключить; высокий – включить.

Аналоговые характеристики в своем большинстве передаются ЧИК по тем же линиям, что и основная энергия. Приемные устройства располагаются в диспетчерских на станциях, подстанциях и позволяет оперативно контролировать состояние удаленных объектов.

В качестве другого канала связи используют радиорелейную связь (передатчики, СВЧ диапазона на сравнительно небольшие расстояния - десятки километров).

Система дистанционного учета потребляемой энергии основана на принципах информационной сети – передача информации по существующим каналам связи.

Структура такой системы:

Рис. . Структура системы дистанционного учета

потребления электроэнергии .

На подстанциях установлены электронные счетчики электроэнергии, каждый из которых формирует импульсивный сигнал, период следования которого обратно пропорционален количеству энергии, отсчитываемому в единицу времени, обычно ЧИК. Со всех счетчиков электроэнергии эти сигналы объединяются в блоки 4 – электронный коммутатор. Выход этого блока подключен к обычному сетевому модему, и блок позволяет формировать стандартный последовательный протокол передачи данных типа RS-282С. Модем через коммутируемый телефонный канал передает информацию потребителю - центральный пункт, пункт контроля, где входной модем переключает эти сигналы и вводит в ЭВМ.

Функции вычислителя:

1. Распознавание сигналов по принадлежности.

2. Накопление информации во времени, вычисление согласно тарифам, представление на экране и получение твердой копии.

Главная проблема стоящая здесь – согласование во времени отсчетов. Канал коммутированный, поэтому коммутатор имеет собственный таймер, по которому и выбираются моменты передачи информации. Накопленная информация по каждому каналу переносится 2 –4 раза в сутки и обязательно в конце суток. Важная проблема синхронизация времени на подстанции и у ЭВМ. По радиотрансляционной сети передаются сигналы точного времени, которые используются для коррекции времени на подстанции. Это выполняется специальным блоком коррекции времени. Проблема погрешности решается применением электронных счетчиков , класс точности которых не хуже 2 (система «Энергия»).

Информационная система учета и контроля количества электроэнергии. Современные промышленные предприятия потребляют не мало электроэнергии для технологических целей зачастую это потребление очень значительно и ложится на себестоимость продукции, на ее конкурентоспособность. Отсюда целесообразно вводить автоматизированные системы, которые помогают для определенного предела сократить потребление электроэнергии, следовательно, снизить себестоимость. С основе таких систем информационные технологии. Простейшая система учета и контроля электроэнергии представляется в двух уровнях.

Рис. . Схема двухуровневой системы учета

и контроля электроэнергии.

1. Первичные преобразователь – счетчики электроэнергии распределить (расположите) непосредственно у технологических объектов и соединение со вторым уровнем коммутатором линиями телеметрической связи.

Счетчики непрерывно выдают импульсный сигнал, который фиксируется в коммутаторе. По каждому счетчику – каждому каналу накапливается число импульсов и сохраняется в памяти коммутатора.

Периодически согласно программы ПЭВМ опрашивает каждый канал коммутатора и читает в свою память накопленные значения каждому каналу. В ее памяти формируется текущее значение (накопленное), хранится предыдущее значение – за сутки, неделю, месяц по каждому каналу.

Таким образом, имеется возможность задокументировать как текущие значения – электроэнергия сутки за конкретный час, так и получить нарастающим итогом количество энергии за отчетный период. Программа обеспечения ЭВМ позволяет наглядно просмотреть в виде диаграмм, графиков количество потребляемой энергии за интересующий период, например, в час пиковой нагрузки, в ночное время, с тем, чтобы сделать коррективы в технологическом процессе.

Для введения процедуры контроля, управления необходимо добавить к линиям телеметрической связи линии сигнализации, которые показывают на превышение режимов по тому или иному каналу.

Счетчики с импульсным выходом, когда ЧИК пропорционален потребляемой энергии. Связь счетчиков с коммутатором по отдельным парам проводов. Типовые направления импульсного сигнала 20 В. Поэтому часто на входе коммутатора потенциальный сигнал преобразуют в токовый как менее чувствительный к помехам. Длина таких линий до нескольких сот метров – при передаче по току (десятки по направлению). Поскольку счетчики определяются в распределительные щиты, для связи каждого счетчика с коммутатором используют многоканальный телефонный кабель.

Трехуровневые системы учета.

Позволяют организовать автоматизированные рабочие места (АРМ) диспетчера, планового отдела, службы энергетика и службы контроля качества.

Рис. . Схема трехуровневой системы учета

и контроля электроэнергии.

Главное отличие трехуровневой структуры ведение автоматизированных рабочих мест различных служб представляется: планово-экономических, бухгалтерия, энергетика. Эти АРМы позволяют получить объективные данные в реальное время и при возможности оперативно контролировать технологический процесс потребления электроэнергии.

Первые уровень практически не изменен, те же счетчики, линии связи, но во втором уровне используется сетевая технология, когда ПЭВМ второго уровня играет роль сервера, т.е. управляющей системой в сети. Рабочей станцией локальной сети – АРМы III уровень. Задача управления решается здесь системой телесигнализации, как и в первом случае и оперативным планирование. Главный бухгалтер→звонок энергетику→начальник цеха→звонок электрикам. Тип счетчиков также импульсный.

Современные электронные счетчики формируют не только ЧИК, но и двоичный код конкретного числа – результата измерения преобразований в стандартный протокол последующего интерфейса.

Таким образом функции коммутатора – запоминание текущей информации перешли к контролю счетчика и линии связи счетчика с ПЭВМ – линии стандартного счетчика.

На первом уровне на сегодня применяют три типа счетчиков.

1) Индукционным и импульсным отсчетом – в обычный индукционный счетчик добавлен механизм формирования импульсного сигнала при каждом полном обороте диска.

2) На сегодня промышленность выпускает импульсные счетчики, которые имеют контакты для телеметрии – для подключения линии связи. У этих счетчиков имеется собственный отсчетный механизм. Структура счетчика – электронный. Класс точности импульсных счетчиков 0,5-2.

3) Цифровые счетчики. Индикация на семисигментных элементах.

Счетчик имеет собственную память, которая накапливает текущие значения измеренной энергии. Контролер счетчика – это малая ЭВМ, которая не только опрашивает датчик, сохраняет значения, но и позволяет подключиться по стандартному интерфейсу к другому вычислителю.

120