1

СЕРВЕРМЕТОДИЧЕСКОГООБЕСПЕЧЕНИЯ ВГУЭСHTTP://ABC.VVSU.RU

Крюков В.В.

ИНФОРМАЦИОННО-ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЕ СИСТЕМЫ(учебное пособие)

2

Крюков В.В. Информационно-измерительные системы. Учебное пособие. –Владивосток: ВГУЭС, 2000. - 102 c.Учебное пособие рекомендуется студентам специальности 2201“Вычислительные машины, комплексы, системы и сети” в качествеосновного методического материала по курсу “Информационно-измерительные системы”. В пособии приведена классификацияинформационных систем, рассматриваются характеристики обобщеннойинформационно-измерительной системы, принципы обмена информацией,требования к системам реального времени. Содержатся рекомендации попроектированию и применению информационных систем с использованиемцифровых процессоров сигналов. Приведены характеристикидвухпроцессорной информационно-измерительной системы, разработаннойна кафедре компьютерных технологий и систем.РекомендованоДальневосточным региональным учебно-методическим центром (УМО) вкачестве учебного пособия для студентов вузов региона по специальности“Вычислительные машины, комплексы, системы и сети”.

3

Содержание:

1. МЕТОДЫ ОБРАБОТКИ информации И ЗАДАЧИ КУРСА .............................................. 51.1. Предмет курса .............................................................................................................. 71.2. Обобщенная структура ИИС ........................................................................................ 81.3. Классификация информационных систем ................................................................. 10

2. Общая характеристика и классификация экспериментов ............................................... 202.1. Общие сведения о средствах проведения эксперимента .......................................... 222.2. Два подхода к построению ИС................................................................................... 242.3. Задачи измерительных систем ................................................................................... 262.4. Основные принципы преобразования сигналов ........................................................ 27

2.4.1. Принципы работы АЦП ....................................................................................... 282.4.2. Методы аналого-цифрового преобразования ...................................................... 29

2.5. Принципы функционирования интерфейса ............................................................... 302.6. Программное обеспечение интерфейса ..................................................................... 312.7. Аппаратные средства интерфейса .............................................................................. 32

3. СИСТЕМЫ СБОРА ДАННЫХ ......................................................................................... 343.1. Одноканальные системы ............................................................................................ 34

3.1.1. Устройство выборки – хранения ......................................................................... 343.2. Многоканальные системы .......................................................................................... 363.3. Выбор АЦП и системы сбора данных ........................................................................ 39

3.3.1. Серийно выпускаемые АЦП и системы сбора данных ....................................... 393.3.2. Выбор AЦП .......................................................................................................... 393.3.3. Рекомендации по использованию АЦП............................................................... 42

4. Принципы обмена информацией ...................................................................................... 444.1. Последовательный интерфейс.................................................................................... 44

4.1.1. Квитирование установления связи ...................................................................... 454.1.2. Асинхронный метод передачи ............................................................................. 45

4.2. Декодирование последовательных потоков двоичных разрядов и обнаружение ошибок ........................................................................................................................................... 46

4.2.1. Ошибки четности ................................................................................................. 474.2.2. Ошибки из-за перезаписи .................................................................................... 474.2.3. Ошибки кадрирования передаваемых данных .................................................... 48

4.3. Учет особенностей линии передачи ........................................................................... 494.4. Линейные формирователи и приемники .................................................................... 50

4.4.1. Однопроводный интерфейс ................................................................................. 504.4.2. Симметричный дифференциальный интерфейс.................................................. 514.4.3. Несимметричный дифференциальный интерфейс .............................................. 51

4.5. Сбор данных при использовании последовательного интерфейса ........................... 524.5.1. Волоконно-оптические линии передачи.............................................................. 53

4.6. Интерфейсные модули ввода-вывода данных ........................................................... 544.6.1. Типовая структура модуля сбора данных............................................................ 554.6.2. Прохождение сигналов при вводе данных .......................................................... 56

4.7. Ввод-вывод данных в персональный компьютер ...................................................... 584.7.1. Настройка параметров ПСД и драйверы ввода данных в компьютер ............... 58

5. Информационные Системы реального времени .............................................................. 615.1. Многопроцессорные архитектуры ............................................................................. 655.2. Многопроцессорные архитектуры и промышленные системы ................................ 66

5.2.1. Индустриальные применения .............................................................................. 665.2.2. Решение STD МРХ .............................................................................................. 67

4

5.2.3. Решение STD32-STAR ......................................................................................... 695.3. Операционные системы реального времени для ИИС .............................................. 70

5.3.1. Операционная система Spox ................................................................................ 705.3.3. Операционная система Multiprox ........................................................................ 725.3.3. Операционная система VCOS.............................................................................. 725.3.4. Операционная система DEASY ........................................................................... 73

6. ИИС с процессорами Цифровой обработки сигналов ..................................................... 746.1. Классификация ЦОС-приборов.................................................................................. 74

6.1.1. ЦОС-приборы общего назначения ...................................................................... 746.2. Перспективы использования приборов ЦОС ............................................................. 776.3. Архитектура ЦОС....................................................................................................... 786.4. Модуль DSP30 ............................................................................................................ 80

6.4.1. Архитектура DSP30 ............................................................................................. 816.4.2. Программное обеспечение ЦОС .......................................................................... 82

6.5. Двухпроцессорный информационно-вычислительный комплекс для обработкиизмерительных данных ..................................................................................................... 83

6.5.1. Характеристики вычислительного комплекса .................................................... 836.5.2. Оцифровка и ввод данных в компьютер ............................................................. 856.5.3. Спектральная обработка данных на двухпроцессорной вычислительнойплатформе ...................................................................................................................... 866.5.4. Фильтрация сигнала на двухпроцессорной платформе ...................................... 89

ЛИТЕРАТУРА ...................................................................................................................... 93

5

1. МЕТОДЫ ОБРАБОТКИ ИНФОРМАЦИИ И ЗАДАЧИ КУРСА

Вся продуктивная деятельность человека так или иначе связана собработкой информации. Процесс развития общества неотделим отстановления все более полных и эффективных методов обработкиинформации. Каждая область науки и в большой степени различные отраслидеятельности (образование, экономика, экология, добывающие отрасли,транспорт, связь, медицинская диагностика, управление и т.д.) представляютсобой совокупность идей и методов, предназначенных для целенаправленнойи эффективной обработки той информации, за которую ответственна даннаяобласть.

Конкретизация понятий “целенаправленной и эффективной обработки”произошла под влиянием развития методов и технических устройств,предназначенных для обработки информации и способных выполнять еебыстро. Идеи, принципы и алгоритмы, которые в настоящее времясоставляют методологию обработки информации, уже сегодня позволилисделать существенный прорыв в технологии обработки информации(наглядный пример – Internet).

Методы обработки и принципы их реализации для каждой области имеютсвои специфические особенности, которые прежде всего обусловливаютсяконкретным видом носителя информации, методами кодирования испособами представления результатов обработки. Вследствие этогоустройства обработки информации для различных областей частооказываются внешне непохожими друг на друга. Но за этой внешнейнепохожестью скрывается одинаковая методология и принципы построениясистем обработки, что является для нас определяющим и составляет предметизучения в данном курсе.

Основу методов обработки информации составляют вычислительнаяматематика, теория информации и математическая статистика. Современныеметоды математической статистики и теории информации используютсложный математический аппарат, но базируются тем не менее на простыхисходных положениях, вытекающих из практических задач. Одна из задачкурса состоит в том, чтобы за сложностью математических методов непотерять тот смысл, который заложен в современных принципах обработкиинформации, и выделить те решения, которые используются на практикесегодня.

Под информацией мы будем понимать некоторую совокупностьсведений, представляющих интерес для человека или полезных дляфункционирования интеллектуальных систем.

Практически всегда при получении информации (человеком илисистемой) возникает потребность ее обработки. Приведем три типичныеситуации:

6

* Как правило, особенно в технических системах, перед анализомполезной информации необходимо зафиксировать факт ее поступления,поскольку какой-то поток данных на приемное устройство всегда поступает.В этом случае задача обработки состоит в определении факта поступленияполезной информации (задача обнаружения).* Часто поступающие данные помимо полезной составляющей(информационная компонента) содержат некоторую дополнительнуюискажающую составляющую (в технике говорят помеху), которая мешаетправильно выделить полезную часть. Задача часто осложняется тем, чтополные сведения о помехе отсутствуют. В данном случае задача обработкисостоит в наиболее полном исключении помехи (задача выделения).* Другая ситуация – это анализ полученной информации с цельюпринятия какого-либо решения (то есть факт поступления информациизафиксирован, полезный сигнал выделен), причем в полученной информациинет всего необходимого, чтобы решение можно было принять с полнойуверенностью. В данном случае задача обработки состоит в осуществлениитакого анализа информации, чтобы решение было наиболее правильным(задача принятия решения).

Условие воздействия помех и отсутствия полной информации являетсячрезвычайно важным в проблеме понимания необходимости примененияобработки, а следовательно, и информационно-измерительных систем(ИИС), одной из основных задач которых является обработка информации.

Термин "обработка" целесообразно рассматривать в широком смысле,понимая под ним регистрацию, запоминание, представление данных. Ноправильнее эти понятия разделить и дать следующее определение.

Информационно-измерительной системой (ИИС) называетсясовокупность функционально связанных устройств и программногообеспечения, которая реализует необходимое информационноеобслуживание контролируемого объекта, включая автоматизированныйсбор, представление, передачу, обработку и хранение измерительнойинформации.

При этом термины “сбор” и “измерительный” следует трактовать широкос включением процедур сканирования, оцифровки (сигналов и изображений),векторизации и т.д. Если передача данных осуществляется по кабельнойлинии или радиолинии, то система называется телеметрической илирадиотелеметрической.

Информационно-измерительные системы применяют как автономно(сбор, обработка данных о движущихся объектах, внешней среде,биологических объектах), так и в составе различных автоматизированныхкомплексов, создаваемых в результате интеграции вычислительной иизмерительной техники, устройств ввода-вывода и средств связи. Независимоот назначения и конкретного применения общее требование к ИИС состоит в

7

том, чтобы исходная измерительная (чаще всего аналоговая) информация илисообщения, вводимые (принимаемые) в систему, могли быть восстановлены(или представлены) без искажений. Для большинства современных ИИСобязательным также является требование передачи и обработки информациив реальном масштабе времени.

Одной из основных проблем, которая возникает при разработке ииспользовании ИИС, являются выбор методов оцифровки и кодированияинформации, помехоустойчивых методов передачи-приема информации(если информация передается на большие расстояния). Но нас больше будутинтересовать другие проблемы, которые возникают на этапе обработкипоступившей информации. Это предварительная обработка данных (сжатие,распаковка, распознавание), качественные характеристики систем,применение алгоритмов обработки и программного обеспечения вконкретных информационно-измерительных комплексах для конечногопользователя.

1.1. Предмет курса

Предметом курса является изучение ИИС в расширенном понимании, тоесть в том понимании термина “измерение”, о котором было сказано выше(это сбор данных, ввод аналоговых сигналов и изображений, оцифровкаинформации на твердом носителе, в том числе картографическогоматериала). В число изучаемых попадают мультимедийные системы,информационные системы, использующие ресурсы глобальных сетей;системы реального времени, использующие ресурсы процессоров цифровойобработки сигналов; геоинформационные системы, а также базовоепрограммное обеспечение, используемое в этих системах. Систем иприложений, которые попадают под определение ИИС, сегодня огромноеколичество, но задача курса не в том, чтобы разложить их по полочкам, а втом, чтобы понять, что их объединяет, определить базовую структуру итиповые алгоритмы обработки данных; выделить ключевые технологии.

8

1.2. Обобщенная структура ИИС

В соответствии с предметом дисциплины из всего составафункциональных устройств ИИС, образующих информационный трактсистемы, рассмотрим только те, которые осуществляют функции сбора,предварительной обработки, представления, передачи и обработкиинформации. Блок-схема ИИС представлена на рис. 1.1. На вход системыпоступает в общем случае аналоговый сигнал S(t), сформированныйинформационным устройством (или датчиком), являющимся источникомданных. Сигнал S(t) рассматривается как реализация случайного процесса,основные модели которых изучались в курсе “Цифровая обработкасигналов”. Цепь преобразования данных одного устройства (или датчика) вмногоканальной системе образует измерительный канал.

В блоке подготовки сигнал подвергается предварительной аналоговойобработке – согласование, усиление (приведение амплитуды кдинамическому диапазону устройства выборки и хранения – УВХ), полосоваяфильтрация (ограничение полосы частот сигналов для корректнойоцифровки).

Поскольку подсистема обработки в ИИС является цифровой системой, токаждый сигнал подвергается процедуре аналого-цифрового преобразования вмодуле АЦП. Последовательность отсчетов от различных измерительныхканалов объединяется в общий поток для последующего ввода в компьютерили передачи по каналу связи. В ряде случаев могут применяться устройствасжатия данных (либо сжатие осуществляется после ввода данных вкомпьютер – программные методы сжатия). Состав и последовательностьрасположения функциональных устройств в различных ИИС можетотличаться от приведенной в блок-схеме, но характерным является наличиеданных устройств как типовых в системах различного назначения итехнического воплощения.

Подсистема передачи включает кодер и декодер канала связи,передающее и приемное устройства и собственно канал связи (среда сантенными устройствами). Кодер и декодер осуществляют помехоустойчивоекодирование и декодирование сигналов с целью дополнительной защитыпередаваемых сообщений от помех в канале связи и могут отсутствовать приналичии качественного канала.

Восстановление исходного аналогового сообщения по цифровымотсчетам с допустимой погрешностью производится на приемной стороне. Всовременных системах восстановление непрерывного сообщения, какправило, не выполняется, поскольку регистрация, хранение и обработкаинформации выполняются в цифровом виде, но принципиальная возможностьвосстановления предусматривается.

9

Источник информации Подготовка данных

Восстановлениеаналогового сигнала

Компьютер

Источникданных

Объектисследования Датчики

Согласование

Усиление

ФильтрацияУВХ АЦ П

Сжатиеданных

Группировкапотоков

Кодирование

Передающееустройство

Каналсвязи

Приемноеустройство

ДекодированиеИнтерфейсс компьютером

D RAM

SVGA

HD

M onitor

D SP

CPU

Интерфейсвывода

ЦАПФильтр

Рис. 1.1. Обобщенная блок-схема информационно-измерительного комплекса

Одна из задач подсистемы цифровой обработки, которая выполняется сиспользованием ресурсов компьютера и специализированных процессоровцифровой обработки – сортировка информации и отбраковка аномальныхрезультатов наблюдений. Отбраковка является частным случаем более общейзадачи – фильтрации сигналов от помех или использования методовраспознавания образов. Другими задачами подсистемы обработки являются:

· предварительная обработка данных (сглаживание, удаление тренда);· статистическая обработка сигналов (применяются различные алгоритмы

в зависимости от назначения ИИС);· спектральная обработка (разные методы в зависимости от назначения

ИИС);· формирование моделей процессов и явлений;· представление результатов предварительной обработки или анализа;· хранение данных.Перечисленные задачи решаются в ИИС следующего назначения:

* измерительные системы в “чистом виде” – мониторинг, диагностика,контроль, научные исследования, системы реального времени;* мультимедийные комплексы – информационные услуги, презентации,обучение, игры;* коммерческие системы ввода-вывода видео – справочные системы,реклама, просмотр и хранение видеофрагментов;* геоинформационные системы.

10

1.3. Классификация информационных систем

Информационная система (ИС) — совокупность технических средств ипрограммного обеспечения, предназначенная для информационногообслуживания пользователей и технических объектов. В состав техническихсредств входит оборудование для ввода, хранения, преобразования и выводаданных, в том числе вычислительные машины (ВМ) или компьютеры,устройства сопряжения ВМ с объектами, аппаратура передачи данных(коммуникационное оборудование) и линии связи. Программное обеспечение(программные средства) – совокупность программ, реализующихвозложенные на систему функции (различают системное и прикладное).Функции ИС состоят в выполнении требуемой обработки данных: ввода,хранения, преобразования и представления. Примерами ИС являютсявычислительные системы для решения научных, инженерно-технических,планово-экономических и учетно-статистических задач; автоматизированныесистемы, применяемые в управлении предприятиями и отраслями народногохозяйства; системы автоматизированного и автоматического управлениятехнологическим оборудованием и техническими объектами; системыреального времени (транспорт, мониторинг); информационно-измерительныесистемы и др.

Основа ИС – это технические средства, так как их производительностьюи надежностью в наибольшей степени определяется эффективность ИС.

Одномашинные однопроцессорные ИС. Исторически первыми и до сихпор широко распространенными являются одномашинные ИС, построенныена базе единственной ВМ с традиционной однопроцессорной структурой. Кнастоящему времени накоплен значительный опыт проектирования иэксплуатации таких ИС, и поэтому создание их, включая разработкупрограммного обеспечения, не вызывает принципиальных трудностей.Однако производительность оказывается удовлетворительной не для всехприложений. Повышение производительности и надежности ВМобеспечивается в основном за счет совершенствования элементно-технологической базы. При любом уровне технологии нельзя обеспечитьабсолютную надежность элементной базы, и поэтому нельзя дляодномашинных ИС исключить возможность потери работоспособности.Таким образом, одномашинные ИС не в полной мере обеспечиваютнадежную автоматизацию обработки данных.

Вычислительные комплексы. Начиная с 60-х годов для повышениянадежности и производительности ИС несколько ВМ связывались между собой,образуя многомашинный вычислительный комплекс.

11

ВМ

ПринтерCD-ROMМОНЖМНМЛНЖМ

ВМа)

НМЛНЖМД

ВМКВВАдаптерКВВВМ

НЖМДCD-ROMМО

б)

Рис. 1.2. Многомашинный вычислительный комплекс с косвенной (а) ипрямой (б) связями между ВМ

В ранних многомашинных комплексах связь между ВМ обеспечиваласьчерез общие внешние запоминающие устройства – накопители на жесткихмагнитных дисках (НЖМД) или магнитных лентах (НМЛ) (рис. 1.2, а), тоесть за счет доступа к общим наборам данных. Такая связь называетсякосвенной и оказывается эффективной только в том случае, когда ВМвзаимодействуют достаточно редко, например при отказе одной из ВМ или вмоменты начала и окончания обработки данных. Более оперативноевзаимодействие ВМ достигается за счет прямой связи через адаптер,обеспечивающий обмен данными между каналами ввода – вывода (КВВ)двух ВМ (рис. 1.2, б) и передачу сигналов прерывания. За счет этогосоздаются хорошие условия для координации процессов обработки данных иповышается оперативность обмена данными, что позволяет вестипараллельно процессы обработки и существенно увеличиватьпроизводительность ИС. В настоящее время многомашинныевычислительные комплексы широко используются для повышениянадежности ИС и совместного использования периферийного оборудования.

В многомашинных вычислительных комплексах взаимодействиепроцессов обработки данных обеспечивается только за счет обменасигналами прерывания и передачи данных через адаптеры канал – канал илиобщие внешние запоминающие устройства. Лучшие условия длявзаимодействия процессов – когда все процессоры имеют доступ ко всемуобъему данных, хранимых в оперативных запоминающих устройствах (ОЗУ),и могут взаимодействовать со всеми периферийными устройствамикомплекса. Вычислительный комплекс, содержащий несколько процессоров,оперативную память (общую или разделенную между процессорами) и общиепериферийные устройства, называется многопроцессорнымвычислительным комплексом. Принцип построения таких комплексов

12

иллюстрируется рис. 1.3. Процессоры, оперативная память (ОЗУ) и каналыввода-вывода, к которым подключены периферийные устройства (ПУ),объединяются в единый комплекс с помощью интерфейсных средств,обеспечивающих доступ каждого процессора к оперативной памяти иканалам ввода-вывода, а также возможность передачи данных междупоследними. В многопроцессорном комплексе отказы отдельных устройстввлияют на работоспособность ИС в меньшей степени, чем в многомашинном,то есть многопроцессорные комплексы обладают большей устойчивостью котказам и большей производительностью. Каждый процессор имеетнепосредственный доступ ко всем данным, хранимым в общей оперативнойпамяти, и к периферийным устройствам, что позволяет параллельнообрабатывать не только независимые задачи, но и блоки одной задачи (нити).

ПУ

КВВМОНЖМДОЗУ

Процессор_1

Интерфейс

Процессор_3Процессор_2

Рис. 1.3. Многопроцессорный вычислительный комплекс

Многомашинные и многопроцессорные вычислительные комплексырассматриваются как базовые средства для создания ИС различногоназначения. Поэтому в состав вычислительного комплекса принято включатьтолько технические средства и общесистемное (базовое), но не прикладноепрограммное обеспечение, связанное с конкретной областью применениякомплекса. Таким образом, вычислительный комплекс – совокупностьтехнических средств, включающих в себя несколько ВМ или процессоров, иобщесистемного (базового) программного обеспечения.

Вычислительные системы. ИС, настроенная на решение задачконкретной области применения, называется вычислительной системой.Вычислительная система включает в себя технические средства ипрограммное обеспечение, ориентированные на решение определеннойсовокупности задач. Существует два способа ориентации ВС. Во-первых,вычислительная система может строиться на основе ВМ иливычислительного комплекса общего применения, и ориентация системыобеспечивается за счет программных средств – прикладных программ и,возможно, операционной системы. Во-вторых, ориентация на заданный классзадач может достигаться за счет использования специализированных ВМ и

13

вычислительных комплексов. В этом случае удается при умеренных затратахоборудования добиться высокой производительности. Специализированныевычислительные системы наиболее широко используются при решении задачвекторной и матричной алгебры, цифровой обработки сигналов, системреального времени, а также связанных с обработкой изображений,распознаванием образов и т. д.

Вычислительные системы, построенные на основе специализированныхкомплексов, начали интенсивно разрабатываться в начале 70-х годов. В такихсистемах использовались процессоры со специализированными системамикоманд и конфигурация комплексов жестко ориентировалась на конкретныйкласс задач. В последнее десятилетие начались исследования и разработкиадаптивных ВС, гибко приспосабливающихся к решаемым задачам.Адаптация вычислительной системы с целью приспособления ее к структуререализуемого алгоритма достигается за счет изменения конфигурациисистемы. При этом соединения между процессорами, а также модулямипамяти и периферийными устройствами устанавливаются динамически всоответствии с потребностями задач, обрабатываемых системой в текущиймомент времени. В связи с этим адаптивные вычислительные системы иначеназываются системами с динамической структурой. За счет адаптациидостигается высокая производительность в широком классе задач иобеспечивается устойчивость системы к отказам. Поэтому адаптивныесистемы рассматриваются как одно из перспективных направлений развитиясистем обработки данных.

Системы телеобработки. Уже первоначальное применение ИС дляуправления производством, транспортом и материально-техническимснабжением показало, что эффективность систем можно значительноповысить, если обеспечить ввод данных в систему непосредственно с мест ихпоявления и выдачу результатов обработки к местам их использования. Дляэтого необходимо связать ИС и рабочие места пользователей с помощьюканалов связи. Системы, предназначенные для обработки данных,передаваемых по каналам связи, называются системами телеобработкиданных.

Состав технических средств системы телеобработки данных представленна рис. 1.4.

14

ВМилиВК

АС Передатчик Приемник

Приемник

Приемник

АС

АС

АС Приемник

Приемник

Приемник

Рис. 1.4. Система телеобработки данных (АС – адаптер связи)

Пользователи (абоненты) взаимодействуют с системой посредствомтерминалов (абонентских пунктов) или ПК, подключаемых через каналысвязи к средствам обработки данных – ВМ или вычислительному комплексу.Данные передаются по каналам связи в форме сообщений – блоков данных,несущих в себе кроме собственно данных служебную информацию,необходимую для управления процессами передачи и защиты данных отискажений. Программное обеспечение систем телеобработки содержитспециальные средства, необходимые для управления техническимисредствами, установления связи между ВМ и абонентами, передачи данныхмежду ними и организации взаимодействия пользователей с программамиобработки данных.

Телеобработка данных значительно повышает оперативностьинформационного обслуживания пользователей и наряду с этим позволяетсоздавать крупномасштабные системы, обеспечивающие доступ широкогокруга пользователей к данным и процедурам их обработки.

Вычислительные сети. С ростом масштабов применения электроннойвычислительной техники в научных исследованиях, проектно-конструкторских работах, управлении производством и транспортом сталаочевидна необходимость объединения ИС, обслуживающих отдельныепредприятия и коллективы. Объединение разрозненных ИС обеспечиваетдоступ к данным и процедурам их обработки для всех пользователей,связанных общей сферой деятельности. Так, экспериментальные данные,полученные группой исследователей, могут использоваться при проектно-конструкторских работах, результаты проектирования – при технологическойподготовке производства, результаты испытаний и эксплуатации изделий –для совершенствования конструкций и технологии производства и т. д. Чтобыобъединить территориально разрозненные ИС в единый комплекс,необходимо, во-первых, обеспечить возможность обмена данными междуИС, связав соответствующие ВМ и вычислительные комплексы каналамипередачи данных, и, во-вторых, оснастить системы программнымисредствами, позволяющими пользователям одной системы обращаться кинформационным, программным и техническим ресурсам других систем.

15

В конце 70-х годов был предложен способ построения вычислительныхсетей, объединяющих ВМ с помощью базовой сети передачи данных.Структура вычислительной сети в общих чертах представлена на рис. 1.5.Ядром сети является базовая сеть передачи данных (СПД), которая состоитиз каналов и узлов связи (УС). Узлы связи принимают данные и передают ихв направлении, обеспечивающем доставку данных абоненту. ВМподключаются к узлам базовой сети передачи данных, чем обеспечиваетсявозможность обмена данными между любыми парами ВМ. СовокупностьВМ, объединенных сетью передачи данных, образует сеть ВМ. В такойконфигурации ВМ представляет собой ПК или коммуникационный сервер,или мини-ЭВМ, к которой с помощью каналов связи подключаются другиесетевые узлы, через которые пользователи взаимодействуют с сетью.Совокупность терминалов и средств связи, используемых для подключениятерминалов к ВМ, образует терминальную сеть. Совокупность ПК исетевых адаптеров образует локальную вычислительную сеть (ЛВС). Такимобразом, вычислительная сеть представляет собой композицию базовой сетипередачи данных, ЛВС или терминальной сети. Такая вычислительная сетьназывается глобальной или распределенной вычислительной сетью (вдальнейшем — “вычислительная сеть”, в отличие от локальной).Вычислительные сети используются для объединения ВМ, находящихся назначительном расстоянии друг от друга в пределах региона, страны иликонтинента. В вычислительной сети все ВМ оснащаются специальнымипрограммными средствами для сетевой обработки данных. На сетевоепрограммное обеспечение возлагается широкий комплекс функций:управление аппаратурой сопряжения и каналами связи; установлениесоединений между взаимодействующими процессами и ВМ; управлениепроцессами передачи данных; ввод и выполнение заданий от удаленныхпользователей; доступ программ к наборам данных, размещенным вудаленных ВМ. К сетевому программному обеспечению предъявляетсятребование сохранения работоспособности сети при изменении ее структурывследствие выхода из строя отдельных ВМ, каналов и узлов связи, а такжевозможность взаимодействия разнотипных ВМ. Функции, возлагаемые насетевое программное обеспечение, отличаются высоким уровнем сложностии реализуются с использованием специально разработанных методовуправления процессами передачи и обработки данных.

16

ВМ

ЛВС

ВМ

ВМ

УС2

УС3

УС1

СПД

Рис. 1.5. Глобальная вычислительная сеть

Вычислительные сети – наиболее эффективный способ построениякрупномасштабных ИС. Использование вычислительных сетей позволяетавтоматизировать управление отраслями производства, транспортом иматериально-техническим снабжением в масштабе крупных регионов истраны в целом. Концентрация в сети больших объемов данных иколлективный доступ к данным позволяют улучшить информационноеобслуживание научных исследований, повысить производительность трудаинженерно-технических работников и качество административно-управленческой деятельности. Кроме того, объединение ВМ ввычислительные сети позволяет существенно повысить эффективность ихиспользования.

Локальные вычислительные сети. В начале 80-х годов в сфереобработки данных начали применяться персональные компьютеры (ПК).Коллективный характер труда требовал оперативного обмена данными междупользователями, то есть объединения ВМ в единый комплекс. Был разработанэффективный способ объединения ВМ, расположенных на незначительномрасстоянии друг от друга – в пределах одного здания или группы соседнихзданий, с помощью моноканала (последовательного интерфейса). Такиевычислительные сети стали называть локальными вычислительными сетями(ЛВС).

Локальная вычислительная сеть (ЛВС) – совокупностьблизкорасположенных ВМ, которые связаны последовательнымиинтерфейсами и оснащены программными средствами, обеспечивающимиинформационное взаимодействие между процессами в разных узлах сети.Типичная структура ЛВС изображена на рис. 1.6. Сопрягаются ВМ спомощью моноканала – единого для всех ВМ сети канала передачи данных. Вмоноканале наиболее широко используются скрученная пара проводов,коаксиальный кабель или волоконно-оптическая линия.

17

САСАСА

ПКПК Принтер

СА

Сервер домена

Т Т Т

СА

Сервер БД

Моноканал

Рис. 1.6. Локальная вычислительная сеть (СА – сетевой адаптер, Т –терминал)

Длина моноканала не превышает обычно нескольких сотен метров. Приэтом пропускная способность моноканала составляет 10-100 Мбит/с, чтодостаточно для обеспечения информационной связи между десятками ВМ.ВМ сопрягаются с моноканалом с помощью сетевых адаптеров (СА), иликонтроллеров, реализующих операции ввода – вывода данных черезмоноканал. Наличие в сети единственного канала для обмена данными междуВМ существенно упрощает процедуры установления соединений и обменаданными между ВМ. Поэтому сетевое программное обеспечение ВМоказывается более простым, чем в вычислительных сетях, содержащих сетьпередачи данных. Вследствие этого локальные вычислительные сетиоказываются эффективным средством построения сложных ИС на основе ПКи специализированных сетевых узлов (серверы, повторители,маршрутизаторы и т.д.).

Локальные вычислительные сети получают широкое применение приорганизации ИС предприятий и организаций, в системах автоматизациипроектирования и технологической подготовки производства, системахуправления производством, транспортом, снабжением и сбытом(учрежденческих системах), а также в системах автоматического управлениятехнологическим оборудованием.

18

Сосредоточенныесистемы

ВСВМ ВК

ИС

Распределенные системы

Локальные Глобальные

Вычислительныесети

Системытелеобработки

Рис. 1.7. Классификация ИС

Классификация ИС. Классифицируются ИС в зависимости от способапостроения (рис. 1.7). ИС, построенные на основе отдельных ВМ,вычислительных комплексов и систем, образуют класс сосредоточенных(централизованных) систем, в которых вся обработка реализуется ВМ,вычислительным комплексом или специализированной системой. Системытелеобработки и вычислительные сети относятся к классу распределенныхсистем, в которых процессы обработки данных рассредоточены по многимкомпонентам. При этом системы телеобработки считаются распределеннымив некоторой степени условно, поскольку функции обработки данных здесьмогут быть реализованы централизованно (в одной ВМ или вычислительномкомплексе) или распределены между ВМ в пределах сети (распределенныеБД).

Существенное влияние на организацию ИС оказывают техническиевозможности средств, используемых для сопряжения (комплексирования)ВМ. Основным элементом сопряжения является интерфейс, определяющийчисло линий для передачи сигналов и данных и способ (алгоритм) передачиинформации по линиям. Все интерфейсы, используемые в вычислительнойтехнике и связи, разделяются на три класса: параллельные, последовательныеи связные. Параллельный интерфейс состоит из большого числа линий,данные по которым передаются в параллельном коде – обычно в виде слов сразрядностью 8-128 бит. Параллельные интерфейсы имеют большуюпропускную способность, как правило, 20-1000 Мбит/с. Столь большиескорости передачи данных обеспечиваются за счет ограниченной длиныинтерфейса, которая обычно составляет от нескольких до десятков метров.Последовательный интерфейс состоит, как правило, из одной линии, данныепо которой передаются в последовательном коде. Пропускная способностьпоследовательных интерфейсов обычно составляет 1-10 Мбит/с при длинелинии от десятков метров до километра. Связные интерфейсы содержат

19

каналы связи, работа которых обеспечивается аппаратурой передачи данных,повышающей (в основном с помощью физических методов) достоверностьпередачи. Связные интерфейсы обеспечивают передачу данных на любыерасстояния, однако с небольшой скоростью – в пределах от 10 до 100 Кбит/с.Применение связных интерфейсов экономически оправдывается нарасстояниях, не меньших километра.

В сосредоточенных системах применяются в основном параллельныеинтерфейсы, используемые для сопряжения устройств и построениямногомашинных и многопроцессорных комплексов, и только в отдельныхслучаях, чаще для подключения периферийных устройств, применяютсяпоследовательные интерфейсы. Параллельные интерфейсы обеспечиваютпередачу сигналов прерывания, отдельных слов и блоков данных междусопрягаемыми ВМ и устройствами. В распределенных системах из-зазначительности расстояний между компонентами применяютсяпоследовательные и связные интерфейсы, которые исключают возможностьпередачи сигналов прерывания между сопрягаемыми устройствами итребуют представления данных в виде сообщений, передаваемых с помощьюопераций ввода – вывода. Различие способов представления данных ипропускной способности в параллельных, последовательных и связныхинтерфейсах существенно влияет на организацию обработки данных ипрограммного обеспечения ИС.

20

2. ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА И КЛАССИФИКАЦИЯЭКСПЕРИМЕНТОВ

Каждый эксперимент представляет собой совокупность трех составныхчастей: исследуемого явления (процесса, объекта), условий и средствпроведения эксперимента. Эксперимент проводится в несколько этапов:

· предметно-содержательное изучение исследуемого процесса (илиобъекта) и его математическое описание (если необходимо) на основеимеющейся априорной информации, анализ условий и средств проведенияэксперимента;

· создание условий для проведения эксперимента и функционированияисследуемого объекта в желаемом режиме, обеспечивающем наиболееэффективное наблюдение за ним;

· сбор, регистрация и предварительная обработка экспериментальныхданных;

· представление результатов обработки в требуемой форме;· содержательный анализ и интерпретация результатов эксперимента,

как правило, с использованием методов цифровой обработки сигналов;· использование результатов эксперимента (коррекция физической

модели явления или объекта, принятие решения о состоянии объекта, оценкапараметров процесса, построение модели для прогноза, управления илиоптимизации и др.).

В зависимости от типа исследуемого объекта (явления) выделяютнесколько классов экспериментов: физические, инженерные, медицинские,биологические, экономические, социологические и др. Наиболее глубокоразработаны общие вопросы проведения физических и инженерныхэкспериментов, в которых исследуются естественные или искусственныефизические объекты (устройства) и протекающие в них процессы. Какправило, при их проведении исследователь может неоднократно повторятьизмерения физических величин в сходных условиях, задавать желаемыезначения входных (объясняющих) переменных, изменять их в широкихмасштабах, фиксировать или устранять влияние тех факторов, зависимость откоторых в настоящий момент не исследуется. Далее в основном будет идтиречь именно об этом классе экспериментов. В экспериментах других классованалогичные возможности существенно ограничены. В частности, дляэкономических экспериментов характерны малый объем экспериментальныхданных, зачастую отсутствие возможностей повторения эксперимента ваналогичных условиях, влияние большого числа неуправляемых инеконтролируемых факторов. Тем не менее некоторые методы, используемыепри проведении физических и инженерных экспериментов, например методы

21

статистической обработки данных, могут с успехом применяться и внетехнических задачах.

Классификацию экспериментов можно провести по следующимпризнакам:* степени близости информационных датчиков (или измерительнойсистемы), используемых в эксперименте, к объекту, в отношении которогопланируется получение информации; различают: натурный, стендовый (илиполигонный), модельный, вычислительный эксперименты;* цели проведения – исследование, испытание (контроль), управление(оптимизация, настройка);* степени влияния на условия проведения эксперимента (пассивный иактивный эксперименты);* степени участия человека (эксперименты с использованиемавтоматических, автоматизированных и неавтоматизированных средствпроведения эксперимента).

Результатом эксперимента в широком смысле является теоретическоеосмысление экспериментальных данных (результатов непосредственногоизмерения, получаемых в ходе эксперимента) и установление законов ипричинно-следственных связей, позволяющих предсказывать ходинтересующих исследователя явлений, выбирать такие условия(воздействия), при которых удается добиться требуемого или наиболееблагоприятного их протекания. В более узком смысле под результатомэксперимента часто понимаются формирование математической (илиописательной) модели явления или получение значений параметров,устанавливающих формальные функциональные или вероятностные связимежду различными переменными, процессами или явлениями. Получениюименно этого результата служат хорошо разработанные методыстатистической обработки экспериментальных данных.

Необходимо отметить, что получение в ходе экспериментаматематической модели или оценки параметров сигнала являетсянеобходимым, но не достаточным условием результативностиэксперимента и его полезности для развития соответствующей предметнойобласти. Это в особой степени относится к нетехническим отраслям знания.Выявленные статистические связи между различными величинами илипроцессами могут не соответствовать их причинной зависимости. Вопрос оналичии причинных отношений между наблюдаемыми величинами долженрешаться исследователем на основании предметно-содержательногоанализа эксперимента, которым должен непременно и начинаться, изаканчиваться эксперимент. Задача истолкования подмеченной связи частоявляется очень трудной.

22

Содержательный анализ математических моделей обладает спецификойдля различных предметных областей. Поэтому рассмотрение этих вопросов,несмотря на всю их важность, выходит за рамки курса.

2.1. Общие сведения о средствах проведения эксперимента

Исходная информация для последующего анализа исследуемого явления(или объекта) формируется с помощью средств проведения эксперимента,представляющих собой совокупность средств измерений различных типов(измерительных устройств, преобразователей, датчиков и принадлежностей кним), каналов передачи информации и вспомогательных устройств дляобеспечения условий проведения эксперимента. В различных предметныхобластях совокупность средств для проведения эксперимента можетназываться по-разному (например, экспериментальная установка,информационно-измерительная система, измерительная система). Вдальнейшем будем пользоваться термином "измерительная система" (ИС). Взависимости от целей эксперимента иногда различают измерительныеинформационные (исследование), измерительные контролирующие(контроль, испытание) и измерительные управляющие (управление,оптимизация) системы, которые различаются в общем случае как составомоборудования, так и сложностью обработки экспериментальных данных.

Состав средств измерений, входящих в измерительную систему ивыполняющих функции датчиков сигналов, формирователей воздействий наисследуемый объект, в существенной степени определяется задачамиэксперимента, которые ставятся при его планировании. То же самое можносказать и о предварительном выборе методов обработки экспериментальныхданных, которые могут в дальнейшем уточняться по мере полученияэкспериментальной информации об объекте исследования и условияхпроведения эксперимента.

В связи с возрастанием сложности экспериментальных исследований (этопроявляется в увеличении числа измеряемых величин, большом количествеинформационных каналов, повышении требований к качествурегистрируемой информации и оперативности ее получения) в составсовременных измерительных систем включаются вычислительные средстваразличных классов. Эти средства (мини-ЭВМ, персональные компьютеры,специализированные вычислители и контроллеры) не только выполняютфункции сбора и обработки экспериментальной информации, но и решаютзадачи управления ходом эксперимента, автоматизации функционированияизмерительной системы, хранения измерительных данных и результатованализа, графической поддержки режимов контроля, представления ианализа. Эффективность применения вычислительных средств при

23

проведении экспериментов проявляется в следующих основныхнаправлениях:* сокращение времени подготовки и проведения эксперимента врезультате ускорения сбора и обработки информации, повышенияоперативности управления режимами сбора данных;* повышение точности и достоверности результатов эксперимента наоснове использования более сложных и эффективных алгоритмов обработкиизмерительных сигналов, увеличения разрядности при кодировании данных,увеличения объема используемых экспериментальных данных дляусреднения результатов;* сокращение числа исследователей, участвующих в проведенииэксперимента, и применение автоматических систем, способных выполнятьсвои задачи в тех условиях, в которых пребывание человека нежелательноили невозможно;* улучшение управляемости и гибкости эксперимента за счет болееполного контроля за его ходом;* повышение оперативности доведения результатов эксперимента допотребителя в наиболее удобной форме.

Таким образом, современные средства проведения экспериментапредставляют собой измерительно-вычислительные системы иликомплексы, снабженные развитыми вычислительными средствами (впоследнее время все чаще многопроцессорные). При обосновании структурыи состава ИС необходимо решить следующие основные задачи:* определить состав измерительного оборудования (датчики, устройствасогласования, усиления, фильтрации, калибровки и т.д.);* выбрать тип и характеристики компьютера, входящего в состав ИС(сейчас, как правило, персональный компьютер);* выбрать тип оборудования, выполняющего сбор данных и цифровуюобработку сигналов;* адаптировать каналы связи между компьютером, оборудованием сбораданных (интерфейс), измерительными устройствами и потребителеминформации;* разработать программное обеспечение ИС.

При выборе компьютера необходимо учитывать требования пооперативности получения результатов экспериментов, сложность алгоритмовобработки экспериментальных данных и объем получаемой информации. Этопозволит оценить требуемые производительность процессора (инеобходимость использования ЦОС-процессоров), емкость и характеристикиОЗУ и жестких дисков, характеристики видеосистемы.

24

2.2. Два подхода к построению ИС

Известно два подхода к обеспечению ввода аналоговых измерительныхсигналов для последующей обработки с использованием цифровых методов.Один основан на применении специализированных комплексных систем, всостав которых входит аппаратура аналого-цифрового преобразования,микропроцессорные средства цифровой обработки и устройства отображенияинформации. Другой подход основан на применении интерфейсныхустройств сбора данных и универсальных компьютерных систем.Примером специализированной системы является многоканальныйанализатор сигналов SA 3550 фирмы Brüel & Kjær. Данный приборвыполняет следующие функции:* анализ сигналов и систем (механических, электрических,электромеханических);* структурные и модальные испытания с несколькими входами ивыходами с помощью случайных сигналов и испытания с учетомсобственных мод колебаний;* отыскание неисправностей механических систем и их компонент свозможностью изменения форм операционных деформаций;* анализ сервомеханизмов и сервосистем;* анализ и испытания в программах контроля качества;* анализ акустических и электроакустических систем;* измерения и анализ интенсивности звука;* исследования в целях борьбы с шумом.Другим примером специализированной системы является многоканальныйспектральный анализатор SI 1220 фирмы Schlumberger Technologies. Данныйприбор позволяет выполнять многоканальный мониторинг конструкций,исследование резонансных явлений, структурный анализ, тестирование ибалансировку машинного оборудования, частотный анализ сигналов инелинейных цепей, исследование речи.К недостаткам такого подхода построения измерительных систем можноотнести: ограничения на количество входных сигналов и их характеристики;жесткая структура алгоритмов обработки, не допускающая разработкупрограмм анализа под конкретную задачу; ограниченные возможностиграфического представления результатов; высокая стоимостьизмерительных систем.Второй подход основан на применении дополнительных интерфейсныхмодулей и цифровых процессоров сигналов в составе персональногокомпьютера. Существенными преимуществами второго подхода являются:гибкость измерительной системы при реализации различных алгоритмовобработки; функциональная полнота системы (решаются задачи вводаданных, обработки, управления, анализа, хранения измерительных данных и

25

результатов анализа); хорошие метрологические характеристики ивозможность тиражирования разработанных систем.Перспективной является тенденция построения ИС на базе типовыхмикропроцессорных средств, что обеспечивает массовость их применения.Стратегия создания таких систем состоит в объединении регистрирующихдатчиков, аппаратуры сбора данных и цифровой обработки сигналов, а такжесредств программного обеспечения в единую информационную систему.Большое значение для рассматриваемых ИС имеют обеспечениефункциональной гибкости в части управления, выбора метода исследования иразвитый пользовательский интерфейс. Для реализации таких свойствразрабатывается мощная полиэкранная графическая поддержка сиспользованием популярных в последнее время объектной метафоры икомбинированных методов представления информации (текст, графика, звук,видео).Целевое назначение рассматриваемых ИС связано с регистрацией, обработкойи анализом данных физических и инженерных измерений, а также созданиембаз экспериментальных данных для исследования методов информационногообеспечения измерительных задач.Сегодня в качестве базового элемента ИС выбирается ПК с процессором i486или Pentium с шиной стандарта ISA (или ISA/PCI). К дополнительномуоборудованию ИС следует отнести (рис.2.1):* датчики физических параметров;* блок подготовки аналоговых сигналов (усиление, полосоваяфильтрация);* интерфейсные средства ввода-вывода аналоговых сигналов (модулиАЦП и ЦАП);* модуль цифрового процессора сигналов.Элементы системы связаны между собой на физическом и (или) логико-функциональном уровне.Ввод данных в ИС реализуется аппаратными средствами подсистемы сбораданных, а управляет процессом сбора пользователь, используя экранныеформы интерфейса. Таким образом, ИС представляет собой интерактивнуюсистему, т.к. управление, анализ данных и принятие решений требуютквалифицированных действий специалиста.

26

Рис. 2.1. Блок-схема ИС

2.3. Задачи измерительных систем

Структура ИС, приведенная на рис. 2.1, обеспечивает выполнениеследующих основных задач:* автоматизированный синхронный ввод в ПК сигналов,регистрируемых группой датчиков;* вывод аналоговых сигналов в соответствии с аналитической моделью(например для калибровки);* обработка записанных на жесткий диск данных с помощью методовцифровой обработки сигналов для изучения состояния физических объектови исследования протекающих процессов;* графическое представление регистрируемой информации ирезультатов анализа;* хранение экспериментальных данных и результатов обработки.Частотный диапазон сигналов, количество параллельных информационныхканалов и динамический диапазон сигналов на входе определяюттехнические требования к системе. Технические требования являютсяосновными исходными данными при выборе структуры измерительной

27

системы и разработке алгоритмов ввода многоканальных аналоговыхсигналов в персональный компьютер. Типовые требования к ИС:* .....................................................................количество синхронныхвходных каналов ................................................ 16* .....................................................................частотный диапазон входныхсигналов ............................................................. 10-30000 Гц* .....................................................................разрядность АЦП/ЦАП ............................................................................ 12-16 бит* .....................................................................время преобразования АЦП ............................................................................ 2.5-10 мкс* .....................................................................порт ввода – вывода 8 битТТЛ* .....................................................................динамический диапазон повходу ................................................................... 60-80 ДБПрограммное обеспечение должно выполнять следующие функции:* настройка параметров и запуск процедуры сбора данных;* запись собираемых данных в оперативную память или на жесткийдиск с отображением характера регистрируемых сигналов и временногоизменения параметров на экране дисплея;* графический пользовательский интерфейс со средствамифункциональной помощи;* реализация вычислительных алгоритмов цифровой обработкисигналов с отображением результатов комбинированными средствамипредставления информации;* выполнение калибровки передаточных характеристик физико-информационных преобразователей и аналоговых цепей;* поддержка базы экспериментальных данных о характеристикахобъектов испытаний (или исследуемых явлений).При разработке программного обеспечения используются следующиепринципы: модульность, использование объектной метафоры в управлении,унификация связей, разделение программ управления, графическойподдержки, обработки и доступа к базе данных.

2.4. Основные принципы преобразования сигналов

Сегодня очевидны преимущества обработки информации сиспользованием цифровых методов. Однако данные, которые мы получаем изреального мира, обычно представлены в аналоговой форме. Необходимыйаналого-цифровой интерфейс обеспечивают системы сбора данных илиинтерфейсные модули. Они преобразуют исходные данные от одного илинескольких измерительных датчиков в выходной сигнал, пригодный дляхранения в компьютере и цифровой обработки. Преобразование

28

осуществляется с помощью таких компонентов, как усилители, фильтры,схемы выборки и хранения, мультиплексоры и АЦП.

2.4.1. Принципы работы АЦПСоотношение между входными и выходными сигналами. Аналого-цифровое преобразование, по существу, является операцией,устанавливающей отношение двух величин. Входной аналоговый сигнал sпреобразуется в дробь x путем сопоставления его значения с уровнемопорного сигнала S0. Цифровой сигнал на выходе АЦП есть кодовоепредставление этой дроби. Если выходной код преобразователя является n-разрядным, то число дискретных выходных уровней равно 2n. Длявзаимнооднозначного соответствия диапазон изменения входного сигналадолжен быть разбит на такое же число уровней. Каждый квант такогоразбиения представляет собой значение аналоговой величины, на котороеотличаются уровни входного сигнала, представляемые двумя соседнимикодовыми комбинациями. Этот квант называют величиной младшегозначащего разряда (МЗР):МЗР=ПД/2 n,где ПД – полный диапазон изменения входного аналогового сигнала.Любому АЦП присуща неопределенность (погрешность) квантования,равная +/- 1/2 МЗР. Ее влияние можно уменьшить, увеличивая число разрядовв выходном коде АЦП.Погрешности преобразования. Характеристики реальных АЦП по рядупараметров могут отличаться от идеальных. Передаточная характеристикаАЦП может быть сдвинута относительно идеальной (погрешностьсмещения). Наклон передаточной характеристики может отличаться отидеальной (погрешность усиления). Нелинейные погрешности – интегральнаяи дифференциальная. Дифференциальная нелинейность – это отклонениевеличины одного из квантов от его идеального аналогового значения (еслиэта погрешность превышает МЗР, то в выходном сигнале можетотсутствовать один код).Разрешение преобразователя. Это наиболее важный параметр АЦП,определяемый как минимальная величина изменения аналогового напряженияна входе АЦП, вызывающая изменение выходного кода на один МЗР.Значение этого параметра определяет потенциальные возможности АЦП, ане его реальные рабочие характеристики и определяется числом разрядовАЦП.Время преобразования. После того как на АЦП поступает команда запуска,требуется некоторое конечное время, называемое временем преобразования,прежде чем он сможет выдать правильные выходные данные. Изменениевходного напряжения во время процесса преобразования вносит

29

нежелательную неопределенность в формируемый выходной сигнал. Этанеопределенность не должна превышать разрешение АЦП, то есть дляскорости изменения сигнала при использовании n-разрядного АЦП свременем преобразования tп должно выполняться условие(ds/dt) max £ (ПД/ 2 n t п).Эта трудность обходится путем использования устройства выборки ихранения (УВХ) – аналоговой схемы, которая по команде выполняет отсчетзначения входного сигнала и затем сохраняет его значение на постоянномуровне, пока АЦП выполняет преобразование. Задержку между моментомполучения УВХ команды и моментом перехода схемы в режим храненияназывают апертурным временем. Типичное значение апертурного временисоставляет несколько десятков наносекунд. Если мы используем УВХ с t=20нс и АЦП с разрядностью 8 бит, то максимальная частота входного сигналасоставитfmax = 1/(2 8 t p) = 62 кГц.Входные сигналы преобразователя. Большинство монолитных АЦПсконструированы в расчете на работу с дифференциальным илиотсчитываемым от потенциала земли однополярным входным сигналом.Уровень этого сигнала должен быть согласован с установленным входнымдиапазоном АЦП. Чаще всего используются входные диапазоны 0...10 В и0...5 В. Если фактический диапазон изменения входного сигнала составляеттолько часть полного диапазона АЦП, то некоторые выходные кодовыекомбинации АЦП никогда не будут использоваться. При этом неоправданносужается динамический диапазон АЦП, что приводит к более сильномувлиянию погрешностей. Наилучшее решение – выбор АЦП с наиболееподходящим входным диапазоном и предварительное масштабированиевходного сигнала с помощью операционного усилителя.

2.4.2. Методы аналого-цифрового преобразованияБольшинство схемных реализаций АЦП основано или на использованиивнутреннего ЦАП, или на применении некоторого способа интегрированиядля реализации функции преобразования. Но существуют АЦП, неотносящиеся к этим классам – в них реализован способ параллельного илимгновенного преобразования.АЦП последовательного приближения. Это наиболее распространенныеАЦП в системах со средним и высоким быстродействием. В этих АЦПвыходной сигнал ЦАП нарастает до уровня входного сигнала точно за nтактов (для преобразователя разрядностью n бит), при этом времяпреобразования не зависит от уровня входного сигнала. Данный методоснован на аппроксимации входного сигнала двоичным кодом ипоследующей проверке правильности этой аппроксимации для каждого

30

разряда кода, пока не достигается наилучшее приближение к величиневходного сигнала. На каждом этапе этого процесса двоичное представлениетекущего приближения хранится в регистре последовательного приближения(РПП).

2.5. Принципы функционирования интерфейса

Существует несколько методов реализации интерфейса АЦП – процессор ПК.Схема “самых последних данных”. В этом методе реализации интерфейсаАЦП работает непрерывно. В конце каждого цикла преобразования онобновляет данные в выходном буферном регистре (обратного магазинноготипа) и затем автоматически начинает новый цикл преобразования.Микропроцессор просто считывает содержимое этого буфера, когда емунужны самые последние данные. Этот метод подходит для тех применений,где необходимость в обновлении данных возникает лишь от случая к случаю.Схема “запуска-ожидания”. Микропроцессор инициирует выполнениепреобразования каждый раз, когда ему нужны новые данные, и затемнепрерывно тестирует состояние АЦП, чтобы узнать, закончилось липреобразование. Зафиксировав конец преобразования, он считываетвыходное слово преобразователя. В возможной модификации этого методамикропроцессор просто находится в состоянии ожидания в течение интервалавремени, превышающего предполагаемое время преобразования, и затемсчитывает выходные данные. Этот метод несколько проще в реализации, нопри этом микропроцессор отвлекается от выполнения всех других программна время преобразования.Использование прерывания микропроцессора. Этот метод основан навозможности использования системы прерываний микропроцессора. Как и впредыдущей схеме, процессор или таймер запускают преобразователь, нозатем микропроцессор может продолжать выполнение других заданий. Когдапреобразование завершено, АЦП вызывает прерывание микропроцессора.Микропроцессор прекращает выполнение текущей программы и сохраняетвсю необходимую информацию для последующего восстановления этойпрограммы. Затем он осуществляет поиск и использование ряда команд(обслуживающая программа – обработчик прерывания), предназначенныхдля выборки данных от АЦП. После того как обслуживающая программавыполнена, микропроцессор возвращается к выполнению исходнойпрограммы.Задача поиска обслуживающей программы иногда решается путемвыполнения другой программы (программы или процедурыпоследовательного опроса – поллинга), которая определяет источникпрерывания путем последовательной проверки всех возможных источников.Гораздо эффективнее подход, связанный с использованием векторных

31

прерываний. Этот подход основан на хранении адресов отдельныхобслуживающих программ в заранее определенной области памяти,называемой векторной таблицей. В ответ на сигнал прерываниямикропроцессор теперь обращается к определенной ячейке памяти, вкоторую пользователем занесен адрес соответствующей обслуживающейпрограммы. Реальная эффективность этого метода проявляется в системах сбольшим числом источников прерываний, как в случае IBM PC. В такихсистемах, как правило, используется специальное устройство, называемоеконтроллером прерываний. Контроллер прерываний, например Intel 8259А(другие семейства микропроцессоров имеют эквивалентные устройства),организует различные приходящие сигналы прерываний в приоритетныеочереди (выстраивает в порядке их значимости), посылает сигнал прерыванияв микропроцессор и указывает ему на нужную ячейку в векторной таблице.

2.6. Программное обеспечение интерфейса

Передача данных между АЦП и микропроцессором на программном уровнеможет быть организована тремя способами.Передача через пространство основной памяти. При распределениипамяти АЦП присваивается некоторый адрес в пространстве основнойпамяти, не используемый для фактического хранения данных и программ.Передача данных между АЦП и микропроцессором осуществляется путемобращения к АЦП просто как к ячейке памяти с данным адресом. Однакопомимо уменьшения полезного пространства памяти такой подход можетпривести к усложнению управления памятью и, как правило, требуетиспользования дополнительных аппаратных средств дешифрации адреса,поскольку при минимуме этих средств слишком расточительно используетсяпамять.Передача через пространство подсистемы ввода – вывода (ВВ). Внекоторых системах создается отдельный набор адресов для подсистемы ВВ(пространство ВВ), которые могут совпадать по численным значениям садресами ячеек основной памяти, но отличаются от них с помощьюиспользования специальных управляющих сигналов (IOR и IOW),выдаваемых на системную шину PC. Отделение пространства памяти отпространства ВВ улучшает характеристики системы. Как правило, этопозволяет довольно просто осуществлять дешифрацию адреса сиспользованием минимального количества аппаратных средств, поскольку“приносится в жертву” пространство ВВ, а не очень ценное пространствоосновной памяти.Прямой доступ к памяти (ПДП). Если возникает необходимость только впростой передаче данных между памятью и каким-либо периферийнымустройством, включение в интерфейс регистра- аккумулятора

32

микропроцессора неоправданно уменьшает скорость передачи данных.Используя дополнительные аппаратные средства, обычно в видеспециального устройства, называемого контроллером ПДП, можноосуществлять непосредственную передачу данных с гораздо большейскоростью. Большинство микропроцессоров допускает реализацию ПДПпутем передачи управления системной шиной на определенный промежутоквремени контроллеру ПДП. Контроллер ПДП в течение этого промежуткавремени управляет работой шины (захватывает шину) и обеспечиваетпередачу данных путем генерации соответствующих адресов и управляющихсигналов. Затем управление системной шиной передается обратномикропроцессору. Для передачи всех данных может потребоваться несколькотаких ПДП-циклов. ПДП исключительно эффективен в тех применениях, гденужно обеспечить высокую скорость передачи данных или нужно передаватьбольшие объемы данных, например, в интерфейсах накопителей на дисках.Применение этого метода в системах сбора данных в принципе возможно, нохарактерно только для систем с высокими рабочими параметрами. Насистемной плате PC имеется восьмиканальный контроллер ПДП, которыйвыполняет некоторые системные функции, включая регенерацию памяти иобмен информацией с диском.

2.7. Аппаратные средства интерфейса

Характер использования аппаратных средств в сильной степени зависит оттого, в какой форме представляются данные – в последовательной или впараллельной.Параллельная форма представления данных. Аппаратные средствапараллельного интерфейса почти всегда включают буфер с тремясостояниями (тристабильный буфер), через который АЦП подключается кшине данных микропроцессора. Дешифрованный адрес и вырабатываемыймикропроцессором управляющий сигнал (строб) чтения используются дляотпирания этого буфера и передачи данных от АЦП к микропроцессору. Тотже самый адрес и вырабатываемый микропроцессором управляющий сигналзаписи используются для запуска преобразователя. Вообще говоря, наличиеотдельных управляющих сигналов чтения и записи необязательно, но такойподход позволяет использовать один и тот же адрес при передаче команд кАЦП и считывании данных с выхода АЦП.В большинстве АЦП нового поколения тристабильные буферы вместе сосвоими управляющими схемами находятся на самом кристалле. Такие АЦПможно непосредственно подключать к шине данных микропроцессора. Длясопряжения этих устройств с процессором пользователь должен толькообеспечить дешифрованный адрес и иногда ввести несколько логическихэлементов для согласования управляющих сигналов.

33

Последовательная форма представления данных. Последовательная формапредставления данных естественна для систем, в которых используетсяпоследовательная передача данных на большие расстояния к станциямконтроля (диспетчерским станциям). По экономическим показателямисключительно эффективным средством реализации такой передачи данныхявляется асинхронная последовательная передача с использованиемспециализированных или телефонных линий с модемами на каждом концелинии. Аппаратные средства интерфейса со стороны микропроцессора,обычно находящегося на станции контроля, чаще всего представлены в видеспециального устройства, называемого универсальным асинхроннымприемопередатчиком (УАПП). УАПП принимает и передает данные впоследовательной форме, но обменивается этими данными смикропроцессором через параллельный интерфейс. Для каждогомикропроцессора имеется по меньшей мере один совместимый с ним УАПП.Интерфейс на том конце линии передачи, где находится АЦП, в сильнойстепени зависит от выбора АЦП, и его лучше всего рассматривать отдельно вкаждом конкретном случае. К тому же наблюдается тенденция к размещениюбольшинства обеспечивающих интерфейс схем на самом кристалле АЦП.Может показаться, что сопряжение 10- или 12-разрядного АЦП с 8-разряднойшиной данных – трудная задача. Она довольно просто решается путемпередачи данных порциями по 8 бит (1 байт) одна за другой. Этот способпригоден как для параллельного, так и для последовательного интерфейсов.

34

3. СИСТЕМЫ СБОРА ДАННЫХ

Система сбора данных осуществляет функцию преобразования первичныхвыходных сигналов от одного или нескольких измерительныхпреобразователей в эквивалентные цифровые сигналы, пригодные длядальнейшей обработки, отображения информации или использования всистемах управления. Диапазон применений систем сбора данныхисключительно широк – начиная с простого текущего контроля значенийодной аналоговой переменной и кончая контролем и управлением сотнейпараметров в ядерных агрегатах. Соответственно существуют как оченьдешевые системы сбора данных прямого преобразования, так и сложныемногоканальные системы, обеспечивающие очень высокую точность инадежность.

3.1. Одноканальные системы

На рис. 3.1 показана структурная схема типичной одноканальной системысбора данных. Сигнал, поступающий от измерительного преобразователя, какправило, мал по амплитуде, к нему примешаны нежелательные шумы, и,кроме того, может возникнуть необходимость в согласовании его параметров(амплитуда) с цифровой частью. Формирование сигнала с оптимальнымихарактеристиками для последующей обработки осуществляется с помощьюусилителей, фильтров и других аналоговых схем (все это можно назватьблоком подготовки). В дешевых системах сбора данных иногда используетсяпрямое преобразование, когда сигнал с выхода схем формирования (илисогласования) непосредственно подается на вход АЦП. Однако вбольшинстве применений обязательным является наличие устройствавыборки – хранения, которое описывается ниже.

Измерительныйпреобразователь Усилитель АЦПУВХФильтр

Рис. 3.1. Блок-схема одноканальной системы сбора данных

3.1.1. Устройство выборки – храненияВыше уже отмечалось, что устройство выборки – хранения (УВХ)предназначено для уменьшения погрешности в выходном сигналепреобразователя, связанной с неопределенностью значения входного сигналав течение времени преобразования при очень быстром его изменении. УВХнужны также для многоканальных систем сбора данных, где ониобеспечивают хранение отсчета для выполнения преобразования по одномуканалу, в то время как мультиплексор переключается на другой канал. Онииногда используются для фиксации импульсных помех во входном сигнале

35

или в тех случаях, когда нужно выполнить отсчеты значений двух илибольшего числа сигналов точно в один и тот же момент времени(одновременная выборка).На рис. 3.2 показаны упрощенная принципиальная схема и форма сигналовдля типичного УВХ. Аналоговый ключ S1 замыкается при поступлениикоманды SAMPLE (Выборка). Конденсатор С начинает заряжаться (илиразряжаться) до уровня входного сигнала. После определенной временнойзадержки, называемой “временем захвата”, напряжение на конденсаторедостигает границ узкой области вблизи уровня входного сигнала, ширинакоторого определяется установленной точностью приближения к этомууровню, и остается внутри данной области. Команда HOLD (Хранение)вызывает размыкание ключа S1, но на самом деле ключ размыкается послекороткого временного интервала, называемого “апертурным временемзадержки”. Типичное значение апертурного времени ta – несколько десятковнаносекунд. Величина ta определяет максимальную допустимую скоростьизменения входного сигнала, при которой еще реализуется полная точностьпреобразования. Однако после размыкания ключа должно пройти некоторое“время установления”, прежде чем выходной сигнал УВХ стабилизируется,то есть придет к установившемуся значению и будет готов дляпреобразования. Однако и после стабилизации уровень этого сигнала насамом деле не остается постоянным, а медленно спадает со временем (утечказаряда). Кроме того, наличие паразитной емкости может привести кпоявлению на выходе УВХ выбросов напряжения, представляющих собойослабленный отклик схемы на любые большие изменения входного сигнала.Это явление называется паразитным прохождением сигнала в режимехранения.Следует обратить особое внимание на выбор типа и номиналазапоминающего конденсатора. При выборе конденсатора с малой емкостьюуменьшается время захвата, но увеличивается спад напряжения в режимехранения. С другой стороны, конденсатор с большой емкостью более точнохранит напряжение, но при этом может быть неприемлемо велико времязахвата. При использовании УВХ в АЦП время хранения, как правило,ненамного превышает время преобразования АЦП. Поэтому для заданногономинала конденсатора мы можем оценить полный спад напряжения за времяодного преобразования. Номинал конденсатора выбирается таким образом,чтобы получить наилучшее время захвата при условии, что спад напряженияза время одного преобразования не превышает величины МЗР.

36

Рис. 3.2. Пояснение работы УВХ: а – упрощенная принципиальная схема; б –временная диаграмма сигналов с указанием важнейших характеристик УВХТип выбираемого конденсатора также имеет большое значение, посколькудиэлектрические потери в запоминающем конденсаторе являются одним изисточников погрешностей. Лучше всего здесь работают конденсаторы сдиэлектриком из полипропилена, полистирола и тефлона. Слюдяные иполикарбонатные конденсаторы имеют весьма посредственныехарактеристики. И совсем не следует использовать керамическиеконденсаторы, которые характеризуются высокой диэлектрическойабсорбцией.Несколько фирм выпускает монолитные УВХ общего назначения стипичными значениями времени захвата 4 мкс при точности 0,1 % или 10...20мкс при точности 0,01 %. Средние рабочие характеристики при низкойстоимости делают эти устройства наиболее приемлемыми для большинстваприменений. Если нужны более высокие рабочие характеристики, можноиспользовать гибридные и модульные УВХ, выпускаемые фирмами Datel-Intersil, Burr-Brown, Analog Devices и некоторыми другими.

3.2. Многоканальные системы

Существуют два основных подхода к обработке более чем одногоаналогового сигнала [1]. Долгое время наиболее популярным был способаналогового мультиплексирования всех входных каналов с использованиемодного АЦП для выполнения преобразований. Одной из причин

37

популярности этого способа являлась высокая стоимость АЦП. Вальтернативном подходе используются отдельные АЦП для каждого канала.Этот способ имеет некоторые преимущества, и он становится все болеепривлекательным для практической реализации в связи с уменьшениемстоимости АЦП.Аналоговое мультиплексирование. На рис. 3.3 показана наиболее частоиспользуемая конфигурация системы сбора данных с аналоговыммультиплексированием каналов. По команде мультиплексор соединяетвыбранный канал с УВХ, которое делает выборку и затем хранит ее дляпреобразования в АЦП. Заметим, что УВХ позволяет мультиплексору принеобходимости переключиться на другой канал, в то время как АЦП ещевыполняет преобразование. Это означает, что время переключениямультиплексора и его время установления не влияют на производительностьсистемы. Одной из модификаций этой конфигурации является системаодновременной выборки (так сделано в нашем комплексе). УВХустанавливаются на входах мультиплексора и запускаются по одной и той жекоманде SAMPLE. Это позволяет получить отсчеты значений двух илибольшего числа сигналов точно в один и тот же момент времени, что частотребуется для систем управления и обработки сигналов.

Измерительныйпреобразователь

Блокподготовки

сигналаАМ

УВХ

Схемауправления

АЦПДругиеканалы

Рис. 3.3. Блок-схема многоканальной системы сбора данных сиспользованием аналогового мультиплексора и одного АЦП (АМ –аналоговый мультиплексор)

В аналоговых мультиплексорах чаще всего используютсяполупроводниковые ключи (на полевых транзисторах с управляемым pn-переходом и КМОП-транзисторах). Матрица управляемых ключейизготавливается в виде монолитной ИС, которая, как правило, содержит идешифратор, позволяющий использовать лишь несколько управляющихлиний для выбора любого сигнального канала. Широкое распространениеполучили мультиплексоры на 4, 8 и 16 каналов, допускающие работу сзаземленными или дифференциальными входными сигналами.Мультиплексор должен сначала отключать текущий коммутируемый вход итолько затем подключать следующий, чтобы гарантировать отсутствиекороткого замыкания двух входных линий. Важными рабочимихарактеристиками аналогового мультиплексора являются сопротивление его

38

ключей в открытом состоянии, токи утечки ключей в закрытом состоянии,точность коэффициента передачи, перекрестные помехи и времяустановления. На сопротивлении открытого ключа входной сигнал создаетнекоторое падение напряжения, приводящее к погрешности коэффициентапередачи. Эту погрешность можно минимизировать, нагружая мультиплексорсхемой с большим входным сопротивлением. В частности, уменьшениюпогрешности коэффициента передачи способствует высокое входноесопротивление подключаемого к выходу мультиплексора УВХ. Точностькоэффициента передачи – это выраженная в процентах погрешность передачивходного сигнала на выход мультиплексора. Перекрестные помехивозникают в результате паразитной связи между выходом мультиплексора ивходом закрытого ключа. Время установления – это время, необходимое длятого, чтобы значение выходного сигнала мультиплексора соответствовалонекоторому установленному диапазону значений вблизи уровняподключаемого входного сигнала. Разработчик должен знать величину этогопараметра, чтобы запускать УВХ только после указанной стабилизацииуровня выходного сигнала мультиплексора.

Измерительныйпреобразователь

Цифровой мультиплексор

ПриемноеустройствоАЦПБПС

Другие каналы

УВХ ПУ

Параллельный вводданных в компьютер

Рис. 3.4. Блок-схема многоканальной системы сбора данных сиспользованием отдельных АЦП для каждого канала и цифровогомультиплексора (БПС – блок подготовки сигналов, ПУ – передающееустройство)Параллельное преобразование. При параллельном способе сбора данныхдля каждого канала используется отдельный АЦП (рис. 3.4). Преимуществатакого подхода проявляются в промышленных системах сбора данных, когдаизмерительные преобразователи распределены по большой площади и, какправило, работают в условиях сильных внешних помех. Установка АЦПвблизи измерительных преобразователей и передача преобразованныхданных в цифровой форме предотвращают прохождение аналоговыхсигналов через области действия помех. При таком подходе обеспечиваетсятакже гальваническая развязка и исключается появление земляных контуров.Наличие отдельного АЦП для каждого канала позволяет реализовать намногобольшую частоту дискретизации в расчете на канал.

39

3.3. Выбор АЦП и системы сбора данных

3.3.1. Серийно выпускаемые АЦП и системы сбора данныхФирмы, выпускающие АЦП, предлагают устройства с очень широкимдиапазоном рабочих параметров. Используемый метод преобразования(последовательного приближения, двухтактного интегрирования,параллельного преобразования) и технология изготовления схем(монолитная, гибридная, модульная) определяют наиболее существенныехарактеристики АЦП – быстродействие, разрешение, стоимость.Наиболее широк выбор АЦП последовательного приближения, используемыхв большинстве случаев применения аналого-цифрового преобразования.Самыми дешевыми являются монолитные АЦП. За последние несколько летсделан громадный скачок в улучшении их рабочих параметров. МонолитныеАЦП изготавливаются с использованием КМОП и биполярной технологий.КМОП АЦП характеризуются очень малым энергопотреблением и допускаютреализацию на самом кристалле аналогового мультиплексора, входного УВХ,дешифратора и тристабильного буфера. Однако в КМОП технологиивозникают трудности с формированием прецизионного источника опорногосигнала и прецизионного быстродействующего компаратора.Биполярная технология обеспечивает простую реализацию этих функций, нопри относительно невысоком уровне интеграции. Эти ограничения можнообойти при использовании схемотехники на основе инжекционнойинтегральной логики. В этом случае удается создать законченныйинтегральный АЦП с тактовым генератором, источником опорного сигнала исоответствующими буферными схемами на одном кристалле.Для построения быстродействующих преобразователей с высокимразрешением используются гибридные конструкции, объединяющиенесколько монолитных компонентов в одном корпусе интегральной схемы.Совершенствование конструкции этих отдельных компонентов привело кзначительному улучшению рабочих характеристик гибридных АЦП содновременным уменьшением их стоимости. Поэтому все большее числогибридных АЦП используется для замены дискретных или модульныхконструкций в системах сбора данных с высокими рабочимихарактеристиками.Самые высокие параметры имеют АЦП модульной конструкции. Они,однако, предназначены только для узкоспециализированных приложений.

3.3.2. Выбор AЦПЧтобы правильно выбрать АЦП для конкретного применения, нужно знатьтребования к его рабочим параметрам – разрешению, временипреобразования, допустимой погрешности и т. д. Эти требования

40

определяются проектируемыми техническими характеристикамиразрабатываемой системы сбора данных. Наиболее важными являютсяследующие характеристики:· число аналоговых каналов;· производительность (учитывается как производительность всей системы,так и максимальная производительность для отдельных каналов);· расположение измерительных преобразователей (вблизи или в удалении отвыходного терминала);· точность преобразования;· окружение, в частности, важно знать уровень электрических помех идиапазон изменения окружающей температуры;· стоимость системы.Разработка системы обычно начинается с выбора ее архитектуры. Затемвыясняются требования к рабочим характеристикам каждого компонентасистемы. Обсудим этот этап на примере АЦП.Точность АЦП. Требования к точности преобразователя вытекают изсоответствующей технической характеристики разрабатываемой системысбора данных с учетом погрешностей, вносимых всеми другимикомпонентами этой системы. Распространенная ошибка – выбор АЦП сразрешением, удовлетворяющим этому требованию по точности, посколькуфактическая точность преобразователя хуже того значения, на котороеуказывает разрешение, в силу наличия различных погрешностейпреобразователя. Список вкладов основных погрешностей, называемыйбюджетом погрешностей, помогает рассчитать реальную точностьпреобразователя. Пример составления бюджета погрешностей и расчетаточности приведен ниже.Расчет точности. Для расчета точности системы используется списокосновных источников погрешностей в системе, начиная от ее аналоговоговхода и кончая цифровым выходом. Погрешность коэффициента передачианалогового мультиплексора и погрешность, возникающая в результате спаданапряжения на выходе УВХ в режиме хранения, очень малы (менее 0,01 %) ипоэтому не указаны в бюджете погрешностей (табл. 3.1).

Таблица 3.1Бюджет погрешностей, %

Неопределенность напряжения УВХ 0,2

Погрешность усиления УВХ 0,01

Неопределенность квантования в АЦП 0,2

41

Погрешности смещения, усиления и нелинейность АЦП (3/4МЗР в интервале температур 0...70°С) 0,3

Погрешность АЦП, связанная с дрейфом опорного сигнала (винтервале температур 0...70°С) 0,1

Максимальная полная погрешность (алгебраическая сумма) 0,81

Полная статистическая погрешность (среднеквадратическая) 0,42

Таким образом, гарантируется точность не хуже 1 %. Фактическая точностьдля гладких входных сигналов при комнатной температуре, вероятно, лучше,чем 0,5 %.Время преобразования. Требуемое от АЦП число преобразований,выполняемых за одну секунду, определяется проектируемойпроизводительностью системы сбора данных, числом каналов и выбраннойконфигурацией системы. Частота дискретизации по одному каналу равнапроизводительности АЦП только в том случае, когда для каждого каналаиспользуется отдельный АЦП. Список всех временных задержек, связанных содним преобразованием, называется временным бюджетом.Производительность АЦП рассчитывается исходя из этого временногобюджета. Пример расчета производительности АЦП приведен ниже.Расчет производительности. Производительность системы рассчитываетсяпутем оценки полного времени, затрачиваемого на одно преобразование.Список всех важных временных задержек, называемый временнымбюджетом, облегчает расчет производительности. Во временном бюджете,представленном ниже, задержка, связанная с работой аналоговогомультиплексора, отдельно не указывается, т.к. это часть времени захватаУВХ (табл. 3.2).

Таблица 3.2Временной бюджет

Время захвата 6 мкс

Время установления выхода УВХ 1 мкс

Время преобразования АЦП 110 мкс

Задержки, связанные с выполнением команд IN/OUT 40 мкс

Полное время одного преобразования 157 мкс

Максимальная производительность (отсчетов/сек) 6360

42

Тип АЦП. Для выбора типа АЦП обычно достаточно информации обиспользуемой конфигурации системы, требуемом разрешении АЦП ивремени преобразования. Например, для обеспечения среднего или высокогобыстродействия следует выбрать АЦП последовательного приближения.Если одновременно требуется также высокое разрешение, то придется, по-видимому, применить АЦП, выполненный по гибридной технологии. Привысоком разрешении, но низком быстродействии более подходящим будетдвухтактный интегрирующий АЦП. Двухтактному интегрирующему АЦПследует отдать предпочтение и в тех случаях, когда нужно обеспечитьвысокую помехоустойчивость или ослабить наводки с частотой 60 Гц.Аналогично в системах дистанционного сбора данных лучше всегоиспользовать АЦП на основе преобразования напряжения в частоту, тогдакак в сверхбыстродействующих системах сбора данных вне конкуренциибудет АЦП параллельного преобразования.Другие факторы. Выяснив, какой тип АЦП нам нужен, мы должны затемвыбрать среди АЦП данного типа устройство, удовлетворяющее всем другимнашим требованиям. Например, диапазон температур, в которомпредполагается использовать АЦП, определяет эксплуатационный классвыбираемого устройства: должно ли оно относиться к классу коммерческихустройств (диапазон рабочих температур 0...70°С) или предназначается дляпромышленных (-25... +85°С) или военных (-55... +125°С) применений.Нужно проверить также входной диапазон устройства, его совместимость сбиполярными входными сигналами, форму представления выходныхцифровых данных (последовательная или параллельная) и, если этонеобходимо, возможность реализации интерфейса с микропроцессорами.

3.3.3. Рекомендации по использованию АЦПСоблюдение некоторых простых правил при использовании АЦП будетгарантией того, что мы получим от него наибольшую отдачу.Использовать полный входной диапазон АЦП. Если входной сигнализменяется только от 1 до 3 В при использовании АЦП с входнымдиапазоном О...5 В, погрешность преобразователя фактически удваивается.Чтобы предотвратить это неоправданное ухудшение рабочих характеристикпреобразователя, используйте предварительное масштабирование сигнала дляобеспечения максимально возможного соответствия диапазона его измененияи входного диапазона АЦП.Использовать хорошие источники опорного сигнала. Температурный ивременной дрейфы опорного сигнала проявляются как погрешность усиленияи поэтому должны удерживаться на минимальном уровне. Прецизионныйинтегральный источник опорного сигнала – хороший выбор для большинстваприменений.Обращать внимание на скорость изменения входного сигнала. Изменения

43

входного сигнала в течение времени преобразования приводят к погрешностиусиления в АЦП последовательного приближения. Если характер изменениявходного сигнала непредсказуем, используйте УВХ. Модели УВХ общегоназначения довольно дешевы. Используйте высококачественныеполипропиленовые или полистирольные конденсаторы в качествезапоминающих конденсаторов в УВХ.Применяйте отдельные общие провода для цифровых и аналоговых схем.Цифровые сигналы создают большие выбросы тока на общих проводах.Общие провода аналоговых и цифровых компонентов схемы должны бытьотдельными и соединяться только в одной общей точке.

44

4. ПРИНЦИПЫ ОБМЕНА ИНФОРМАЦИЕЙ

В настоящей главе обсуждаются принципы обмена информацией,передаваемой в последовательной форме, между компьютером типа IBM PCи такими внешними устройствами, как датчики и контроллеры. Рассмотримтолько те важные с точки зрения практики особенности средств сопряжения,которые необходимо знать, чтобы эффективно использовать интерфейсы вбольшинстве приложений. Хотя параллельный интерфейс для сопряженияразличных устройств проще в реализации и требует меньшего объемааппаратных средств, последовательный интерфейс более универсален.Имеются, однако, случаи, когда более предпочтительным оказываетсяпараллельный интерфейс.

4.1. Последовательный интерфейс

Один из практических примеров, когда последовательный интерфейспредпочтительнее параллельного, – это передача данных на относительноудаленное периферийное устройство. Для такой передачи впоследовательном интерфейсе требуется всего один провод, тогда как вслучае передачи данных в параллельной форме необходимо, как правило,восемь проводов. Однопроводная передача имеет два преимущества. Одно изних связано с тем, что стоимость кабеля и необходимого набора линейныхформирователей и приемников будет для нее существенно ниже, чемстоимость технических средств для эквивалентной многопроводнойконфигурации. Ввиду этого, и особенно при необходимости передачи набольшие расстояния, последовательный интерфейс, скорее всего, окажетсязначительно экономичнее параллельного. Кроме того, последовательнаяпередача данных дает возможность пользоваться коммерческимисистемами связи, например обычной телефонной сетью или стандартнымиканалами передачи цифровой информации.В случае последовательного интерфейса все разряды передаются по одномупроводу. Мы можем контролировать любой разряд, зная его положение впоследовательном потоке данных, а также его длительность. В соответствиисо сложившейся практикой первым в слове передается младший разряд.Обратите внимание, что для обеспечения правильности передачи обычнотребуется выполнить процедуру квитирования установления связи междупередатчиком и приемником. Это необходимо всегда, за исключением техслучаев, в которых скорость передачи столь мала, что практическиневозможна ситуация, когда приемник не будет успевать восприниматьданные. Число линий, необходимых для передачи сигналов квитирования, независит от типа передачи (последовательный или параллельный). Дляпередачи одного символа последовательному каналу требуется большевремени, чем параллельному. Передача n-разрядного символа попоследовательному каналу занимает по меньшей мере в n раз большевремени, чем его передача через параллельный интерфейс. Однако скоростьобмена данными, значительно превосходящая те, которые необходимы вбольшинстве систем, где используются датчики и контроллеры, достигаетсяиными методами. Последовательная передача часто применяется и всредствах управления механическими устройствами, например принтерами,без какого-либо проигрыша в их быстродействии, поскольку время реакциитакого устройства существенно превышает длительность передачиуправляющего слова при средней скорости последовательного обменадвоичной информацией.

45

4.1.1. Квитирование установления связиЧтобы установить надежную связь, устройства, как правило, выдают

сигналы, с помощью которых они “информируют” друг друга о том, имеютсяли у них данные для передачи или готовы ли они к приему данных. Если одноустройство направляет какой – либо символ другому устройству, которое втот момент занято выполнением какой-либо иной задачи, то переданныйсигнал будет потерян. Квитирование – это процедура обмена сигналами дляустановления связи, осуществляемой только при определенных условиях.

Чтобы информировать приемник о наличии данных для передачи,передатчик направляет сигнал “запрос передатчика” (RTS). Этот сигналлибо прерывает текущую операцию, либо приемник фиксирует егопоступление в процессе циклического опроса. Обнаружив такой сигнал,приемник заканчивает текущую операцию и отвечает передатчику сигналом“сброс передатчика” (CTS), указывающим, что приемник готов к приемусимволов. Передатчик не передает никаких данных до тех пор, пока на его входне поступит сигнал CTS.

Сигналы квитирования установления связи имеют разные названия вразличных системах. В более совершенных системах используются такжедополнительные сигналы квитирования. В системах с одностороннейпередачей, например в системе сбора информации от датчиков, гдекомпьютер только принимает информацию, а датчик только передает,достаточно использовать лишь два сигнала квитирования – входной ивыходной.

Бывают ситуации, когда необходим быстрый отклик на сигнал,поступивший по линии квитирования. Так, например, датчик через короткоевремя после его перевода в активное состояние будет, по всей вероятности,выдавать достоверную информацию. В данном случае компьютер обращаетсяк этому датчику, переводит его в активное состояние, “выжидает” в течениекороткого промежутка времени, а затем считывает сигналы, формируемыедатчиком.

4.1.2. Асинхронный метод передачиВ последовательной системе связи разряды данных передаются одним

потоком. Асинхронная последовательная система связи позволяетпередавать за “один прием” по одному символу (то есть один набордвоичных разрядов). В синхронных системах связи передача многоразрядногоили многосимвольного сообщения осуществляется в виде одногонепрерывного потока двоичных данных. В системах сбора данныхприменяется, как правило, асинхронной метод передачи.

Длительность одного двоичного разряда определяется выбраннойскоростью передачи исходя из рабочих характеристик передающего иприемного устройств. Компьютер IBM PC может передавать и приниматьданные со стандартной скоростью, находящейся в пределах от 50 до 115000бод.

В каждом такте на передающую линию через интерфейс направляетсяодин разряд и, как правило, интерфейс программируется на передачу данныхнаборами по одному байту (то есть по одному символу). Передатчик несинхронизован с приемником – приемник “не знает”, когда передатчик будетнаправлять ему данные. Следовательно, необходимы средства, способные

46

сигнализировать о том, что на приемник готов поступить новый байт. Этазадача решается путем передачи на вход приемника дополнительногоразряда, который называется стартовым и поступает непосредственно передначалом передачи байта данных. Передатчик, находясь в состоянииожидания, постоянно передает уровень напряжения, соответствующийлогической единице (иногда он именуется маркером). Переключение сединицы на нуль сигнализирует приемнику, что вскоре начнется передачапотока данных, составляющих символ. Первый разряд этого потока, равныйнулю (иногда его называют пробелом), именуется стартовым разрядом.

После обнаружения перехода с 1 на 0 приемник считывает сигнал свходной линии через интервал времени, равный половине длительностиодного разряда, – это гарантирует, что принятый логический 0 будетдействительно нулем, а не помехой из-за переходного процесса. В этотмомент времени, если линия по-прежнему находится в состояниилогического 0, приемник воспринимает стартовый разряд какдействительный и приступает к последовательному считыванию входнойлинии с одноразрядными интервалами. Если же стартовый разряд признаетсянедействительным, приемник игнорирует обнаруженный 0 и возвращается всостояние ожидания до поступления следующего действительного стартовогоразряда (0). Вероятность обнаружения ложного стартового разряда илиигнорирования действительного стартового разряда очень мала, посколькувесьма маловероятно, что шумовые всплески возникнут в те самые моментывремени, когда осуществляется считывание входной линии приемника.

При асинхронной передаче символ заканчивается передачей одного илидвух стоповых разрядов (логических единиц), причем для любой скоростипередачи, превышающей 40 бод, как правило, используется один стоповыйразряд. Передатчик направляет на линию последовательность единиц во всехслучаях, когда нет готового к передаче символа.

Важнейшую роль при последовательной передаче данных играюттактовые сигналы. При асинхронном методе передачи на них накладываетсяединственное ограничение: частоты следования тактовых сигналов впередатчике и приемнике должны быть одинаковыми, причем допуск на ихрасхождение очень мал. Значение частоты следования тактовых сигналовдолжно быть равным целому кратному частоты следования двоичныхразрядов, выдаваемых передатчиком (чаще всего используется тактоваячастота, в 16 раз превышающая частоту следования разрядов).

Операции последовательной передачи реализуются специализированнойИС, получившей название “универсальный асинхронный приемопередатчик”(УАПП).

4.2. Декодирование последовательных потоков двоичных разрядов иобнаружение ошибок

Программирование УАПП на режим обмена данными, соответствующийустановленным требованиям, то есть задание длины (разрядности) символа,типа контроля четности, числа стоповых разрядов и скорости передачи вбодах, осуществляется путем записи соответствующей комбинации двоичныхразрядов в регистр команд. После такого программирования УАПП способенвыделять символы из потока разрядов, поступивших на линиюпоследовательного ввода, и осуществить их преобразование в 8-разрядныйпараллельный формат, в котором переданная информация используется в

47

микропроцессоре. УАПП может также выполнять преобразование 8-разрядных символов, поступающих от микропроцессора, в соответствующийпоток последовательных разрядов и затем передавать этот поток свведенными в него стартовыми и стоповыми разрядами, а также разрядамичетности через линию последовательного вывода.

Кроме того, УАПП выдает сигналы квитирования установления связи. Онтакже способен обнаруживать ошибки в потоке принимаемых данных ипосылать микропроцессору сообщения об ошибках, предварительнозаписываемые в регистр состояния УАПП. Универсальный асинхронныйприемопередатчик способен обнаруживать ошибки трех типов: ошибкичетности, ошибки из-за перезаписи, ошибки кадрирования передаваемыхданных.4.2.1. Ошибки четности

Разряд контроля по четности является старшим разрядом символа.Пользователь может предусмотреть контроль по четности или по нечетностилибо вообще отказаться от такого контроля. Если выбран контроль почетности, то разряд контроля, генерируемый на передающей стороне,устанавливается в 1 или сбрасывается в 0 с таким расчетом, чтобы в символе(включая и сам разряд контроля) полное число разрядов, содержащихлогическую 1, было четным. Таким же образом устанавливается разрядконтроля по нечетности – он выбирается так, чтобы полное число единиц всимволе было нечетным. Например, при передаче 7-разрядного знака 0100110(в коде ASCII) восьмой разряд, являющийся старшим, долженустанавливаться в 1 при выборе контроля по четности и в 0 при контроле понечетности. Если на приемной стороне обнаруживается неправильноезначение разряда четности, то в регистре состояния УАПП устанавливаетсяфлаг ошибки по четности.4.2.2. Ошибки из-за перезаписи

УАПП декодирует символ, поступивший на его линиюпоследовательного ввода, предварительно удалив из него стартовый истоповые разряды, а затем помещает этот символ в приемный буфер. Послетого как символ будет декодирован целиком, УАПП поместит его в буфершины данных, откуда его сможет считать микропроцессор. Затем УАППустанавливает флаг готовности приемника, указывающий на наличие знака.Опрос состояния этого флага может осуществляться программным путем.Можно также соединить выходную линию, на которую выводится состояниефлага, непосредственно с линией прерывания, соединенной со схемойобработки прерываний в микропроцессоре.

Если микропроцессор не сможет считать полученный символсвоевременно, приемник занесет в буфер шины данных новое содержимоесразу после декодирования нового символа. В силу этого последний символбудет потерян еще до считывания его микропроцессором. Это вызоветустановку флага ошибки из-за перезаписи в регистре состояния. Чтобыобнаружить такую ошибку, микропроцессору необходимо просмотретьсодержимое регистра состояния до считывания нового символа из буферашины данных, поскольку сигнал чтения содержимого этого буфераодновременно сбрасывает флаг ошибки из-за перезаписи.

48

4.2.3. Ошибки кадрирования передаваемых данныхФлаг ошибки кадрирования в регистре состояния УАПП устанавливается

в тех случаях, когда приемник, ожидая поступления 1, то есть стоповогоразряда (или разрядов) в конце символа, вместо этого считывает 0. Ошибкакадрирования возникает в результате появления ложных разрядов,обусловленных действием шумовых выбросов. Такая же ситуация можетнаблюдаться в тех случаях, когда поток двоичных разрядов считывается принеправильно выбранной скорости передачи.

Получил распространение метод, при котором все флаги ошибокигнорируются и по программе вычисляется контрольная сумма послепоступления предварительно заданного числа символов (такой наборсимволов называется блоком). Контрольная сумма добавляется в конце блокасимволов, типичная длина которого составляет 128 или 256 байт, хотя самаконтрольная сумма, как правило, имеет длину всего 1 байт. Для полученияконтрольной суммы пользуются различными соглашениями. В некоторыхслучаях в качестве нее используется сумма всех байтов в блоке, исключаяпереносы и переполнения, а иногда – дополнительный код этой суммы.Аналогичный байт контроля ошибок, служащий для так называемогопродольного контроля избыточным кодом, представляет собой простонарастающий итог операций “исключающее ИЛИ” над всеми переданнымисимволами блока. Очевидно, что для генерации контрольной суммыпринятого блока символов в приемнике должен использоваться тот жеалгоритм, что и в передатчике, так как в противном случае будет исключенавозможность сравнения переданной и полученной контрольных сумм.

Расхождение переданной и вычисленной в приемнике контрольных суммговорит об ошибке, возникшей при передаче блока. Следовательно,необходима его повторная передача. В зависимости от структуры системыприемник может посылать или не посылать передатчику сигналподтверждения приема в конце каждого блока или в конце сеанса передачи.Если передатчик будет информирован об ошибке в контрольной сумме, то онпередаст повторно либо сообщение целиком, либо тот блок, в контрольнойсумме которого была обнаружена ошибка.

Контроль циклическим избыточным кодом (ЦИК) представляет собойметод, сходный с методом вычисления контрольной суммы, отличаясь отпоследнего лишь тем, что циклический избыточный код имеет, как правило,длину два байта и вычисляется на основе полинома делителя. Слово ЦИКпредставляет собой 16-разрядный остаток от деления. При таком методе вкаждый момент времени передается блок определенного размера. Любойпереданный разряд так или иначе влияет на ЦИК, благодаря чему такойподход контроля ошибок является наиболее эффективным среди подобныхметодов. Передатчик направляет символ ЦИК после каждого блока данных изатем ожидает до тех пор, пока от приемника не поступит подтверждениецелостности принятых данных. В приемнике должен применяться тот жеспособ генерации ЦИК для принятого блока. ЦИК передатчика сравниваетсяв приемнике с вычисленным ЦИК для принятого блока. Если они полностьюне совпадают, приемник отбрасывает полученный блок данных и передаетнекоторый символ (обычно control-U) обратно на передатчик, указывая темсамым на ошибку, и ожидает до тех пор, пока передатчик не передаст тот жеблок данных повторно. Если приемник не обнаруживает расхождения вциклических избыточных кодах передатчика и приемника, то он“предполагает”, что полученные данные являются достоверными, и

49

направляет символ подтверждения приема на передатчик. Затем он переходитв состояние ожидания до поступления от передатчика следующего блокаданных.

Учитывая особенности выбранных методов и средств передачи, а такжехарактер решаемых задач, разработчик системы сам должен решать, какаясхема контроля ошибок наилучшим образом отвечает требованиямпроектируемой им системы.

4.3. Учет особенностей линии передачи

В свете изложенного следует рассмотреть особенности используемыхлиний передачи. Здесь будут даны только основные сведения, необходимыедля освещения проблем, которые должен учитывать проектировщик, чтобыразработать достаточно эффективный канал связи.

По мере того как растет длина линий, соединяющих передатчик иприемник, и увеличиваются частоты передачи (то есть скорости передачидвоичной информации), все большую важность приобретает учетхарактеристик линий передачи. В случае очень длинных линий, а иногда иотносительно коротких линий, но с высокой скоростью передачисоединительный кабель больше нельзя рассматривать просто как проводник спренебрежимо малым активным сопротивлением.

Ниже перечислены проблемы, возникающие в системе обмена данными,которые непосредственно связаны с особенностями линии передачи:

1. Если нагрузка не согласована с линией, то в линии возникаютотражения. Следовательно, если задержка на распространение велика посравнению с длительностью одного двоичного разряда, то разряд можетзаписываться в буферный регистр до достижения установившегося режима, врезультате чего его значение может быть идентифицировано неправильно.Кроме того, отражение, обусловленное передачей одного разряда, можетвызывать ошибки при детектировании последующих разрядов. Простейшимрешением этой проблемы можно считать выбор такой нагрузки для линии,которая будет иметь сопротивление, равное ее характеристическомуимпедансу, что исключит отражения.

2. Ослабление сигнала при очень большой длине линий может оказатьсявесьма значительным. В результате возможно возникновение ошибки придетектировании логического уровня. Данная проблема может быть решенапутем установки повторителей.

3. Повышение частоты следования передаваемых сигналов будетприводить к повышению степени искажения сигнала и появлениюперекрестных помех, а следовательно, к росту частоты ошибок.Характеристики линий передачи и выбранный протокол передачи (вчастности, соглашения относительно представления логических 1 и 0)ограничивают скорость передачи.

4. Различие в напряжениях уровня “земли” на передающем и приемномконцах может вызывать ошибки при детектировании логического уровнясигнала на приемном конце. Эта проблема может быть решена путемзаземления общего провода только в одной точке.

Экранированные линии, например коаксиальные кабели иэкранированные скрученные пары проводов, лучше защищены от помех, чемнеэкранированные. Некоторыми наиболее распространенными типами линийпередачи, позволяющими улучшить технико-экономические показатели

50

систем передачи, являются скрученная пара проводов, экранированнаяскрученная пара проводов, коаксиальный и сдвоенный коаксиальный кабели.Коаксиальные кабели, как правило, имеют чисто резистивныйхарактеристический импеданс от 50 до 100 Ом, а скрученные пары – иныезначения, обычно меньшие 200 Ом. Значение характеристического импедансаZo кабеля указывает изготовитель. Если по каким-либо причинам этаинформация отсутствует, то значение Zo можно приблизительно вычислить,пользуясь результатами измерений с помощью измерителя импеданса.

4.4. Линейные формирователи и приемники

Емкость передающей линии и токоформирующая способность источникасигналов ограничивают длину линии, при которой возможна надежнаяпередача. Так, ТТЛ-формирователь может надежно активизировать линию,длина которой не превышает 70 см. Для расширения диапазона передачииспользуются специализированные интегральные схемы, которыеназываются линейными формирователями (служат для активизации линиипередачи), и линейные приемники (подключаются к линии).

Чтобы удовлетворить требованиям различных классов стандартов,установленных Ассоциацией электронной промышленности США (ЕIА),выпускаются разнообразные типы линейных формирователей и приемников.Так, RS-232 является наиболее распространенным стандартом на интерфейсдля микрокомпьютерных систем [2], тогда как стандарты RS-422 и RS-423применяются лишь в тех случаях, когда интерфейс типа RS-232 не можетудовлетворить требованиям системы. На основе трех этих стандартовстроятся однопроводный, симметрично-дифференциальный инесимметрично- дифференциальный интерфейсы.4.4.1. Однопроводный интерфейс

К приборам, работающим со стандартным интерфейсом RS-232C, можноотнести формирователь МС1488 и приемник МС1489 фирмы Motorola,эквивалентные им микросхемы SN75188 и SN75189 фирмы ТI [3], а такжеаналогичные компоненты других изготовителей. Скоростью нарастаниясигнала на выходе формирователя можно управлять посредством внешнегоконденсатора, который устанавливается на выходе прибора. Для интерфейсаRS-232C максимальная скорость установления выходного сигналаформирователя составляет 30 В/мкс. Это, как правило, достигается безиспользования внешнего конденсатора, поскольку сам кабель обычно имеетсобственную емкость, равную по меньшей мере 330 пФ, что достаточно дляобеспечения стандартной скорости нарастания выходного сигнала. В этомстандартном интерфейсе принята отрицательная логика (когда логическомунулю соответствует положительное напряжение, а логической единице –отрицательное).

Прибор МС1489 является однопроводным приемником, у которого порогсрабатывания входной логики может устанавливаться внешним сигналом.Его входной импеданс значительно превышает средний характеристическийимпеданс линии передачи. Следовательно, можно улучшить характеристикисистемы, нагрузив линию передачи ее характеристическим импедансом. Этоимеет значение только в тех случаях, когда временной интервал междупоследовательно передаваемыми разрядами мал по сравнению с задержкойраспространения сигнала в линии (то есть имеются в виду случаи высокой

51

скорости передачи данных и длинной передающей линии). Чтобы обеспечитьсогласование с линией, вход приемника просто шунтируется путемзамыкания на землю, для чего используется резистор, сопротивлениекоторого равно характеристическому импедансу линии. Рекомендуемаямаксимальная длина передающей линии в случае использования интерфейсаRS-232 составляет примерно 17 м, а максимальная скорость передачиданных – около 20 Кбод.4.4.2. Симметричный дифференциальный интерфейс

Стандарт RS-422 характеризуется наибольшим запасомпомехоустойчивости, возможностью работы с самыми длинными линиямипередачи и максимальными скоростями передачи среди всехрассматриваемых нами стандартов. В число микросхем, которые пригодныдля реализации этого стандарта, входят формирователь МСЗ486 и приемникМСЗ487 фирмы Motorola, сравнимые с ними формирователь 9636 и приемник9637 фирмы ТI, а также аналогичные компоненты других изготовителей.

Симметричный дифференциальный формирователь имеет два выхода.Один из выходов представляет собой буферизованный эквивалент входаформирователя, тогда как другой является его дополнением. Параскрученных проводов соединяет два этих выхода с двумя входами приемника(дифференциальный вход). Поскольку оба передаваемых сигнала водинаковой степени подвергаются воздействию синфазных помех, последниеустраняются благодаря использованию дифференциального входа вприемнике.

Этот интерфейс функционирует эффективно в присутствии синфазныхпомех с амплитудой до ±3 В, которые наводятся в линии передачи (общийуровень напряжения не может превышать пределов, определяемых уровнемнасыщения транзисторного усилителя). Допускаются длина линии, равнаяпримерно 1300 м, и скорость передачи данных до 10 Мбод.

Как и в случае однопроводного интерфейса, сказываются отражения,возникающие в линии передачи. Выходы формирователя имеют различныеполярности, так как они являются взаимно дополняющими. Следовательно,отражения, возникающие на двух концах линии, имеют разные полярности иих нельзя рассматривать как синфазные помехи. Такие отражениявоздействуют на дифференциальные входы приемника. По этой причине,чтобы иметь возможность передавать данные с высокой скоростью иработать с линиями передачи большой длины, необходимо добитьсяисключения отражения на приемном конце.4.4.3. Несимметричный дифференциальный интерфейс

Единственное отличие несимметричного дифференциального интерфейсаот симметричного заключается в том, что у первого интерфейса обратныйземляной провод является общим для нескольких сигнальных цепей.Несимметричные дифференциальные интерфейсы используются дляпостроения систем, отвечающих требованиям стандарта RS-423. ИнтерфейсRS-422 соответствует и требованиям стандарта RS-423, однако обратногосоответствия не предусмотрено. Несимметричный дифференциальныйинтерфейс допускает длину линий передачи до 1300 м и скорость передачиданных до 100 кбод. Те же интегральные схемы приемника и передатчика,которые используются для реализации интерфейса RS-422, могут

52

применяться и для построения несимметричного дифференциальногоинтерфейса.

В телетайпах старых конструкций для последовательного обменаданными вместо уровней напряжения использовались импульсы тока. Всеустройства, которые обсуждались выше, имели отношение к интерфейсам,работающим с уровнями напряжения. Токовые формирователи вмикрокомпьютерных системах сейчас, как правило, не применяются.

4.5. Сбор данных при использовании последовательного интерфейса

К числу технических средств общего назначения, которые можносоединять друг с другом с помощью последовательного интерфейса,относятся устройства сбора данных и управления. Такие устройствапозволяют преобразовывать аналоговые сигналы под управлениемперсонального компьютера. Главное преимущество этого подхода состоит втом, что для его реализации нет необходимости вводить в компьютер какие-либо дополнительные платы. Все соединения являются внешними иосуществляются через асинхронный связной адаптер. Этим обеспечиваетсядополнительная развязка между компьютером и установкой для сбораданных – по сравнению с системой сбора данных с шинным соединением.Основным недостатком такого подхода можно считать то обстоятельство,что достижимая здесь скорость передачи ограничивается необходимостьюпередавать все данные по последовательному каналу, тогда какспециализированная шинная система позволяет передаватьдискретизированные данные в компьютер в параллельном формате.

На рис. 4.1 показан пример, как с помощью кабеля интерфейса RS-232можно соединить несколько подобных устройств сбора информации. Вданном примере узел “Главный ПК” управляет доступом к устройствам сборав заданный момент времени, используя собственный адрес этого устройствадля перевода его в активное состояние. Поскольку доступ кпоследовательному интерфейсу осуществляется в режиме коллективногопользования, только одно устройство может взаимодействовать с главным ПКв конкретный момент времени. Устройство, расположенное ближе всех кглавному ПК, получает сообщение и затем ретранслирует его на следующееустройство через последовательный интерфейс. В типичном случаекомпьютер выбирает то или иное устройство и выдает команды навыполнение таких операций, как:* задание частоты отсчетов при дискретизации данных;* задание числа выборок данных, подлежащих преобразованию;* начало преобразования.

После того как устройство выполнит эту задачу, ему будет выдана скомпьютера команда на передачу дискретизированных данных главному ПК,который осуществляет необходимую обработку полученных данных, заноситих в память и отображает на экране дисплея.

53

Датчик

Другиеудаленные

компьютеры

Удаленныйкомпьютер

Последовательноеустройство В/ВЦАП

Исполнительноеустройство

Последовательноеустройство В/ВАЦП

Асинхронныйадаптер связиГлавный ПК

Рис. 4.1. Схема компьютерного управления дистанционными датчиками,подключенными к компьютеру через последовательный интерфейс

В качестве примера такого подхода можно привести контрольтемпературы на различных стадиях производственного процесса. Каждоеудаленное устройство может выполнять дискретизацию измеренныхзначений температуры в месте своего расположения и по запросу направлятьполученные результаты обратно на ПК.4.5.1. Волоконно-оптические линии передачи

За последние годы значительное распространение получили волоконно-оптические линии передачи. В условиях действия электрических шумов онифункционируют лучше, чем обычные проводные линии. Кроме того, они, какправило, обладают более широкой полосой частот, чем проводные линии, тоесть обеспечивают более высокие скорости передачи данных илиобъединение большего числа каналов передачи в одном кабеле.

Оптическая линия передачи функционирует так же, как рассмотренныйвыше интерфейс. В качестве формирователей сигналов, передаваемых поволоконно-оптическому кабелю, используются инфракрасные светодиоды, ав качестве линейных приемников – инфракрасные детекторы. Волоконно-оптические формирователи и приемники, совместимые с ТТЛ-сигналами,имеются в открытой продаже.

54

Главный ПК

Устройство HP 39301 А

До 16 каналов

Волокно-оптическийкабель до 1000 м

Устройство HP 3930 А

До 16 каналов

Рис. 4.2. Взаимодействие с помощью мультиплексора HP 39301A совстроенным преобразователем сигналов RS-232 в сигналы, передаваемые пооптическому кабелю

Основная трудность применения волоконно-оптических кабелейзаключается в том, что их легко можно повредить. Фирма Hewlett-Packardвыпускает наборы миниатюрных компонентов для волоконно-оптическихлиний, содержащие формирователи, приемники, кабель, соединители ируководство по их использованию. Она также предлагает комплектпринадлежностей и инструментов для монтажа и проверки таких линий.Показанная на рис. 4.2 схема с прибором HP 3930 А представляет собой 16-канальный мультиплексор со встроенным преобразователем сигналов RS-232в сигналы, передаваемые по волоконно-оптическому кабелю. Он позволяетувеличить до 1000 м длину 16 независимых 19,2-кбод дуплексных (то естьрассчитанных на одновременные передачу и прием) каналов, реализованныхв виде одного оптического кабеля. Кроме того, такое техническое решениеобеспечивает защиту системы передачи от воздействия источниковэлектрических шумов, например ударов молний, и исключает опасностьвозникновения помех от электрических разрядов, происходящих внеустойчивой атмосфере. В системе предусмотрены средства локализациинеисправностей, и она отличается невысоким уровнем затрат на установку,что объясняется малой массой волоконно-оптического кабеля.

4.6. Интерфейсные модули ввода-вывода данных

Простой и эффективный способ построения системы, отвечающейперечисленным выше требованиям к ИИС, – реализация ввода аналоговыхсигналов в ПК с помощью специализированных интерфейсных плат (их ещеназывают платами сбора данных (ПСБ)), которые подключаются к разъемамрасширения системной платы компьютера и размещаются внутри корпусаПК. Подобные устройства предлагают компания L-CARD, НТК"Инструментальные системы" и зарубежные фирмы. При выборе вариантаПСД часто требуется обеспечить полный набор функциональных модулей,необходимых для интегрированной системы ввода-вывода данных: АЦП,ЦАП, счетчики-таймеры реального времени, цифровые порты ввода-вывода,контроллер прямого доступа к памяти (ПДП). Канал ПДП при обменеданными между ПСД и ПК необходим для обеспечения требуемого

55

частотного диапазона вводимых в ПК сигналов без потерь в отсчетах,поскольку основные ограничения обусловлены предельной скоростьюпередачи данных по системной шине ПК. При вводе сигналов в режиме ПДПскорость обмена данными между ПСД и ПК составляет 200-400 Кбайт/с (взависимости от быстродействия компьютера), что при двухбайтных отсчетахобеспечивает полосу частот 100-200 кГц на один канал.

В учебном процессе кафедры компьютерных технологий и системиспользуется ИС на основе модуля ADC12A/200, разработанного НТК"Инструментальные системы". В исследовательских работах используется ИСна основе модуля сбора данных DT 3005 фирмы Data Translation.4.6.1. Типовая структура модуля сбора данных

Упрощенная блок-схема модуля сбора данных представлена на рис. 4.3.Основным узлом модуля является АЦП на базе регистра последовательногоприближения 155ИР17 и ЦАП 1108ПА1А.

· Буферная память представляет собой массив из двух блоков емкостью16384 12-разрядных слов и предназначена для обеспечения обмена данными скомпьютером без потери отсчетов с максимальной скоростью (реализованасхема поочередного считывания данных из буферов).

56

внешний

разъем

Буфернаяпамять2´16´12

Конверторпитания±15 В

РегистррежимовБлок старта

Ц ифровойрегистр (УВХ)

ТаймерЦ АП

Интерфейссистемной

шины

Интерфейслокальной

шины

Буфернаяпамять2´16´12

УВХАЦ П

Усилители,мультиплексор

Коммутатор входногосигнала

Таймер

Рис. 4.3. Упрощенная блок-схема модуля ADC12/200

· ЦАП выполнен на базе микросхемы 1108ПА1А и имеет буфернуюпамять.

· Цифровой регистр представляет собой 16-разрядный цифровой портвывода общего назначения с тремя состояниями выхода и предназначен дляуправления внешними устройствами.

· Блок старта предназначен для определения (путем программирования)начала ввода данных.

· Таймер синхронизируется от кварцевого генератора и задает временнуюдиаграмму ввода и вывода данных.

· Регистр режимов управляет режимами работы блоков модуля.· Интерфейсы системной и локальной шин обеспечивают обмен с

компьютером и с дополнительными модулями на базе цифровых процессоровсигналов.

· Конвертор питания обеспечивает прецизионным питанием +/-15Vаналоговые цепи модуля.4.6.2. Прохождение сигналов при вводе данных

Аналоговые сигналы поступают с внешнего разъема на коммутатор.Входные мультиплексоры сводят 16 входных сигналов в два путемпоочередной коммутации каналов попарно (2, 4, 6, 8) в зависимости отрежима ввода или не переключаются вообще, включая только заданную паруканалов. Далее два мультиплексированных сигнала поступают насоответствующий инструментальный усилитель с переключаемымкоэффициентом усиления G=1,2,4,8. К выходам инструментальныхусилителей подключен дифференциальный усилитель, вычисляющийразность между напряжениями на выходах. Далее по схеме включенымультиплексоры 2х1, которые в зависимости от установленного режимаработы выбирают либо выходы инструментальных усилителей, либо выход

57

дифференциального усилителя. Полученные таким образом сигналыпоступают на два устройства выборки-хранения (УВХ), которые фиксируютотсчеты сигналов в моменты времени, задаваемые таймером. При этомможно задавать программируемый межканальный сдвиг по времени.

В зависимости от режима работы модуль обеспечивает преобразованиекак симметричных сигналов, так и несимметричных (одиночные сигналы собщей "землей"). В обоих случаях это биполярные сигналы. Принесимметричном включении каналов дальнейшее сведение двух каналов водин производит мультиплексор 2х1, включенный непосредственно передУВХ.

Блок старта определяет начальный момент ввода данных с точностью доодного периода таймера. При помощи регистра режимов можно выбрать одиниз следующих способов старта:

– от внешнего цифрового сигнала;– от компаратора, сравнивающего аналоговый сигнал со специального

17-го входа с пороговым напряжением, задаваемым программно с помощьюспециального 8-разрядного ЦАП (при таком способе запуск ввода будетначат при пересечении сигналом заданного порога снизу вверх или сверхувниз); в этом случае работа модуля напоминает работу осциллографа сждущей разверткой и внешним запуском;

– программно по команде пользователя.Цифровые данные после АЦП поступают в блок буферной памяти.

Буферная память организована в виде двух блоков емкостью в 16 12-разрядных отсчетов, которые работают попеременно. В начале процессаввода данные с АЦП накапливаются в одном из блоков буферной памяти.После заполнения блока устройство выдает запрос на ПДП, а АЦПпереключается на другой блок буферной памяти, предоставляя процессорунекоторое время для реакции на запрос ПДП. В это время отсчетынакапливаются во втором буферном блоке. Так обеспечивается развязкаасинхронных процессов ввода данных при передаче их в компьютер.

Для более полной оптимизации процесса ввода данных на максимальныхскоростях используется чередование передачи данных по двум каналам ПДП.Это сделано для того, чтобы увеличить лимит времени процессора напереинициализацию контроллера ПДП при вводе больших массивов данных(больше 128 Кбайт).

Процесс вывода данных через ЦАП также осуществляется сиспользованием прямого доступа к памяти, но при этом задействован толькоодин канал ПДП.

Особенностью модуля ADC12 является применение двух УВХ свозможностью задания разного временного сдвига между выборкамисигналов. При программировании модуля задается два временных параметра:период выборок Т и сдвиг между ними dТ. Период Т есть время междупоследовательными срабатываниями УВХ1 (или УВХ2), и может приниматьзначения в диапазоне от 12 до 65535 мкс. Таким образом за период Т внедифференциальном режиме выполняется два цикла преобразования.Минимальный период определяется временем выборки (УВХ), равным 1 мкс,и временем аналого-цифрового преобразования, составляющимприблизительно 5 мкс. В результате с учетом дискретности таймераобработка каждого отсчета требует 6 мкс.

При вводе данных одновременно по нескольким каналам для обеспечениясинфазности отсчетов применяется внешний блок УВХ. Управление

58

внешним УВХ осуществляется при помощи специального цифровогорегистра, который управляется соответствующим драйвером ввода.

Модуль ADC12A/200 имеет два интерфейса для обмена с компьютером.Один их них представляет собой интерфейс в стандарте IBM PC/AT (шинаISA) и предназначен для управления платой и обмена данными при ее работенепосредственно с ПК. Второй интерфейс (локальная шина) предназначендля управления платой и обмена данными при работе модуля в комплексе свысокопроизводительными модулями цифровой обработки сигналов на базепроцессора TMS320C30. Применение таких модулей позволяет решать задачитекущей обработки данных (спектральный анализ, фильтрация) в реальноммасштабе времени.

По отношению к компьютеру ПСД представляет собой внешнееустройство, адресуемое через порты ввода-вывода и занимающее адресноепространство I/O от Base до Base+15, где параметр Base задаетсяпереключателями на плате равным 240h,250h и т.д.

Отметим, что передача данных в ПК с помощью модуля ADC12A/200может осуществляться только через ПДП.

4.7. Ввод-вывод данных в персональный компьютер

Алгоритм управления и программные средства ввода данныхразрабатываются с учетом максимально возможной автоматизации. Процесссбора данных (выбор требуемых каналов из 16 возможных, установлениечастоты дискретизации аналоговых сигналов, коэффициентов усиления,выполнение аналого-цифрового преобразования, пересылка цифровыхотсчетов в оперативную память компьютера, запись результатов намагнитный диск) реализуется аппаратно-программными средствами,управляет которыми пользователь. Частотный диапазон измерительныхсигналов составляет десятки килогерц, поэтому для исключения потерь привводе данных в компьютер используется режим прямого доступа к памяти.4.7.1. Настройка параметров ПСД и драйверы ввода данных вкомпьютер

Назначение параметров и режимов аппаратуры сбора данных, вводданных в ПК и вывод через ЦАП осуществляются с помощью программ-драйверов, инициирует работу которых управляющая программа покомандам пользователя, вводимым в среде функциональных меню. Дляобеспечения ввода-вывода данных обычно разрабатываются следующиепрограммные модули:

· драйвер ввода данных в основную память компьютера для режиматекущего просмотра;

· драйвер ввода данных с АЦП на жесткий диск;· программа записи участка сигнала из памяти на жесткий диск;· драйвер вывода данных из памяти и файла через ЦАП;· программа сортировки данных при записи на жесткий диск

(преобразование “кадрового” формата следования данных ПСД к форматузаписи по каналам программного комплекса);

· программа считывания-распаковки сжатых данных с диска в память ПК.Производительность системы в целом определяется многими

факторами, но наличие ”узких” мест в процессе ввода данных определяетбыстродействие системы. Одним из важных факторов является

59

эффективность драйвера ввода данных. На драйвер ввода данных возлагаетсявся низкоуровневая работа по управлению платой. Задачи драйверов,обеспечивающих ввод данных в ПК:

– программирование режима работы платы;– ввод данных в память в блочном режиме;– ввод данных с прямой записью на жесткий диск в реальном масштабе

времени;– упаковка данных;– сортировка данных.Драйвер вывода данных осуществляет обратную задачу.В обоих случаях данные должны быть введены или выведены в реальном

масштабе времени без потери отсчетов между передачей последовательныхблоков данных.

Алгоритм работы драйверов ввода и вывода данных можно разделить надве части: аппаратное программирование ПСД и контроллера ПДП и болеевысокоуровневый блок первичной обработки данных и их упаковки.Подпрограммы обработки и упаковки данных реализуются на языке Си++.Программирование ПСД и контроллера ПДП происходит во время передачиданных и критично с точки зрения скорости выполнения. В этой связиреализация низкоуровневого интерфейса (или самых критичных к временнымзадержкам подпрограмм) часто выполняется на языке ассемблера.

Драйвер ввода данных работает следующим образом: после вызовадрайвера из пользовательской программы сначала обрабатываются входныепараметры, затем производится сброс самой платы и каналов ПДП. Далеепрограммируется микросхема таймера I8253, имеющаяся на плате,устанавливаются скорость ввода и временные соотношения ввода междуканалами. После этого программируется режим работы платы (усиление,число каналов, способ старта и т.д.). После установки предварительныхпараметров программируется канал 5 контроллера ПДП, и драйвер запускаетплату на старт. Затем происходит проверка количества введенных данных.Если все данные уже введены, то драйвер ожидает конца ввода данных изаписывает их на диск с последующим выходом из программы, иначепроисходит программирование канала 6 микросхемы ПДП. Если все данныеуже введены, происходит ожидание конца ввода по каналу 6 и записьвведенного блока на диск с последующим выходом из программы. Иначепрограммируется канал 5 ПДП, и после ожидания конца ввода по каналу 6происходит программный старт и запись введенного массива на диск. Такимобразом, передача данных производится поочередно по двум каналам ПДП.Причем, когда по одному из каналов идет передача данных, другой каналпереинициализируется и производится запись введенного блока на диск.

Для корректного выбора параметров и режимов пользователюнеобходимо предоставить справочную информацию о текущих ресурсахоперативной и дисковой памяти, а также допустимом размере буфера обменадля выбранного количества каналов и числа отсчетов в реализации.Настройка ПСД осуществляется путем предварительной записи параметровчерез соответствующие порты ввода-вывода в блок хранения параметровнастройки. Параметры работы ПСД задаются записью управляющего слова врегистр режима. В зависимости от значений соответствующих битуправляющего слова могут быть определены следующие параметры работыПСД:

– выбор активного устройства: АЦП или (и) ЦАП;

60

– назначение способа запуска АЦП (ждущий режим по заданномупороговому значению сигнала, старт по ТТЛ сигналу, программный старт);

– разрешение установки дифференциального режима работы входныхканалов;

– разрешение передачи данных по локальной шине;– активизация цифрового порта;– выбор числа активных каналов;– установление коэффициента усиления инструментальных усилителей.В зависимости от режима сбора данных задается число каналов в "кадре"

и задержка между каналами или номер канала (сбор с селекцией каналов).Частота дискретизации задается путем перевода таймера в режимпрограммируемого делителя с определением необходимого коэффициентаделения. Программирование таймера также осуществляется путем записиуправляющих слов в соответствующие порты ввода-вывода.

Программирование внешнего УВХ, подключаемого к плате, сводится кзаписи в цифровой регистр модуля определенного кода в соответствии сколичеством подключаемых каналов.

61

5. ИНФОРМАЦИОННЫЕ СИСТЕМЫ РЕАЛЬНОГО ВРЕМЕНИ

Компьютерные системы реального времени находят применение вразличных областях науки и техники: экспериментальные научныеисследования, измерительная техника, автоматизированные системыуправления, медицина, ядерная энергетика, военная техника и т.д.

Формальное определение систем реального времени можно дать вследующем виде: система реального времени – это система типавозбуждение – отклик (причина – следствие), в которой время реакции навозбуждение (отклик или следствие) либо ограничено возникновением любогодругого возбуждения, либо проходит параллельно с новым возбуждением.Часто под вычислительной системой реального времени понимаетсяаппаратно-программный комплекс, позволяющий сформироватьопределенные сигналы или параметры в темпе времени, соответствующемизменению данных на входе.

Системы реального времени сильно привязаны к окружающим событиям.Любое действие или бездействие такой системы не остается без последствий.Достаточно сложным является организация действий системы напараллельные запросы, поэтому особое внимание в работе уделяетсясинхронизации процессов. Для программ реального времени особенноважной проблемой становится распределение ресурсов и их управляемость.

Создание программного обеспечения для ИС реального временидостаточно сложная задача. Анализ результатов работы в жестких временныхограничениях и условиях параллелизма значительно труднее, чем впоследовательных системах. В случае обнаружения ошибки в работе ИСреального времени достаточно сложно бывает обнаружить причину ошибки.

Операции, выполняемые в реальном времени и в режимемногозадачности, играют важную роль в любой системе сбора информации иуправления, но основным препятствием к их реализации являетсянесовершенство операционной системы компьютера (особенноперсонального). Необходимость режима реального времени объясняется тем,что требуется мгновенно распознавать процессы и реагировать на них. Нетникакого смысла регистрировать возмущения процесса и анализировать ихпосле события. Кроме того, система должна обладать способностьювыполнять одновременно несколько задач. Например, может возникнутьаварийная ситуация, требующая регулировки исполнительного устройства иполучения отчетных данных, описывающих событие.

После завершения сбора данных может возникнуть необходимостьвывести их в графической или табличной форме, выполнить преобразованияили расчеты, получить печатные документы или записать данные на диск.Многозадачность в реальном времени позволяет операторам, техникам иинженерам принимать решения во время работы системы, основываясь назначащей информации. Кроме того, она позволяет анализировать данныеретроспективно как для того, чтобы вернуться к событию, котороепроизошло очень быстро, так и для того, чтобы провести статистическийанализ и сравнение на более высоком уровне, не прерывая сбора данных.

Автоматизированное управление процессами может быть прямым либодиспетчерским. Прямое управление: ИИС имеет средства прямогоуправления, и регулирующие воздействия формируются на основе оценкипараметров процессов и их сравнении с установленными или расчетнымизначениями. ИК осуществляет регулировки, которые зависят отустановленных пределов или являются результатом выполнения

62

определенного алгоритма. Пример – система автоматического поддержанияклимата, охраны и сигнализации в здании. В каждом помещении установленыдатчики и приборы поддержания климата и охраны. Компьютер опрашиваетдатчики, сравнивает показания с установленными пределами, проверяетправа доступа и формирует управляющие сигналы, соответствующиеинтерфейсу приборов поддержания климата и охраны.

Диспетчерское управление: компьютер ИИС не выполняет прямыхдействий по измерению параметров процессов и управлениюисполнительными устройствами. Компьютер служит лишь диспетчером дляавтономных контроллеров, соединенных цифровой магистралью. Компьютерзагружает значения аварийных пределов, контрольные интервалы, константыи профили выполнения регулировок – информацию, необходимуюконтроллерам для осуществления регулировок и измерений. После этогоконтроллеры работают автономно. В приведенном выше примере компьютерлишь формирует профили управления и контрольные интервалы сотображением состояния датчиков.

ИС реального времени необходимы как для прямого, так и длядиспетчерского управления.

Одна из наиболее серьезных проблем в процессе создания системреального времени – производительность системы. Необходимы не толькобыстрые алгоритмы обработки данных, но и организация истиннойсинхронизации различных частей системы. Нет необходимости в быстрыхалгоритмах обработки, если пользователь ИИС будет ожидать обновленияданных. Части программ, которые работают в однопроцессорной системе,могут оказаться неэффективными или просто не работать вмногопроцессорной системе. Системы реального времени оченьтребовательны к ресурсам компьютера, поэтому все чаще в ИИС реальноговремени используется несколько процессоров.

Еще одна проблема, возникающая в процессе создания систем – доступ кпромежуточным результатам (например, оценка и отображение на экранепараметров регистрируемых сигналов). Само по себе получение их можетоказаться сложной задачей, а делать это в ограниченных временных рамках свозможностью их отображения и сохранения не всегда удается.

Трудоемкость построения систем реального времени во многом связана сжесткой привязкой к конкретным процессорам. Независимость отаппаратуры может быть реализована на уровне операционной системы и(или) за счет перекодирования программ. Если программа позволяетпользователю распределять задачи по процессорам (определять, какой блокпрограммы выполняется тем или иным процессором) и определятьвременные интервалы (соотношение работа/ожидание для определенногопроцессора), то пользователь может скорректировать распределениепрограммных модулей между процессорами. Разработка таких системнепосредственно связана с новым направлением – параллельные вычисленияс использованием объектно-ориентированного подхода и представляетбольшой интерес для развития ИИС реального времени.

Использование языков высокого уровня в процессе создания системреального времени позволяет облегчить создание ПО и повысить егонадежность. В настоящее время для обеспечения синхронизации прииспользовании нескольких процессоров в основном используютсянизкоуровневые методы, основанные на прерываниях и сообщениях(статическое распределение задач). Все чаще в ИИС реального временистали применяться программные средства, позволяющие организовать потоки

63

(или нити), которые как нельзя лучше подходят для систем реальноговремени и реализуются на уровне операционной системы (динамическоераспределение задач между процессорами). Суть их состоит в том, что,инициализировав какую-то часть программы как поток, мы позволяемоперационной системе выполнять ее на свободном в данный моментпроцессоре. Для обеспечения полной параллельности необходимы не толькоспециализированные алгоритмы, но и инструментальные средствапрограммирования, а также операционные системы реального времени.

На рис. 5.1 и 5.2 представлены два упрощенных варианта организацииобработки в системе реального времени.

64

CPU 1получает

необработанныеданные

CPU 5выводит данные

на экран и на диск

CPU 3выполняет обработку,критичную по времени

CPU 2устанавливает

связь с оператором

CPU 4осуществляетвычисления

Рис. 5.1. Схема многозадачности, реализованная аппаратными средствами(соединение нескольких микропроцессоров)

Interrupt 1поступление

необработанныхданных

Extra timeвывод данных

на экран и ожидание

Interrupt 3реакция на действия,

критичные по времени

Interrupt 2поступление

данныхот оператора

CPUвыполняет всю

обработку

Рис. 5.2. Многозадачность, реализованная программными средствами

65

5.1. Многопроцессорные архитектуры

Еще несколько лет назад многопроцессорные ВК были экзотикой,которой могли насладиться только в исследовательских лабораториях. Споявлением компьютера Cray X-MP наличие нескольких процессоров сталообязательным атрибутом всех суперкомпьютеров. Но увеличение объемоввычислений, возросшая сложность прикладных задач и удешевлениеаппаратных средств привели к появлению многопроцессорных систем.Сначала многопроцессорными стали серверы, затем рабочие станции и ВК.

Процессоры могут быть объединены в систему различными способами всоответствии с конкретной архитектурой параллельной обработки.Существуют также различные методы программирования для таких систем.

Различают следующие типы параллельных архитектур.* Множественные потоки команд, один поток данных (МКОД) –несколько процессоров одновременно выполняют различные команды надодним потоком данных; типичный пример такой архитектуры – конвейерныесистемы.* Один поток команд, множественные потоки данных (ОКМД) –несколько процессоров одновременно выполняют одну и ту же команду надразличными потоками данных; примером такой архитектуры являютсяматричные процессоры.* Множественные потоки команд, множественные потоки данных(МКМД) – каждый процессор может выполнять различные потоки команднад различными данными. Эта архитектура считается наиболееперспективной.

Наиболее часто используется (особенно в серверах ЛВС) архитектураМКМД – множественные потоки команд, множественные потоки данных.В рамках этой архитектуры имеется два класса систем: с симметричноймногопроцессорной обработкой – СМО и асимметричноймногопроцессорной обработкой – АМО.

СМО: все процессоры функционально идентичны, каждый можетобмениваться данными со всеми остальными через общую оперативнуюпамять; симметричны память (все процессоры используют общеепространство ОЗУ и могут исполнять единую копию операционной системы)и подсистема ввода-вывода (все процессоры имеют доступ к одним и тем жеустройствам ввода-вывода и любой процессор может получить прерываниеот любого источника); работа всех прикладных программ не зависит от числапроцессоров в ВК. Трудно обеспечить параллельную работу процессоров, т.к.используется динамический параллелизм, который обеспечивается на уровнеоперационной системы.

АМО: каждый процессор имеет свою собственную память и внешниеустройства; используется статический параллелизм – процессыраспределяются между процессорами до начала их исполнения (на этапекомпиляции прикладных программ); взаимодействие между процессорамиосуществляется через механизм передачи сообщений. Недостаток –невозможно оперативно переназначать задачи процессорам, поскольку этотребует внесения изменений в программный код, трудно масштабировать, имодернизация – сложная задача. Преимущество – больше возможностей длясоздания специализированных производительных алгоритмов сиспользованием особенностей специальных вычислителей (ЦОС, обработкаизображений, векторные процессоры), легче программировать параллельные

66

процессы при небольшом количестве процессоров (но трудно обеспечитьэффективное взаимодействие без “простаивания” процессоров). Можетфункционировать несколько копий ОС и несколько копий прикладныхпрограмм, что позволяет, работая с одним набором данных, решатьодновременно разные задачи. Больше подходит для бесприоритетных ОС,когда не происходит перераспределения процессов в ходе выполнения.Распределение задач между специализированными процессорамиобеспечивает асимметричной модели существенный выигрыш впроизводительности.

5.2. Многопроцессорные архитектуры и промышленные системы

В сфере компьютерной техники малых форм (ПК) решений,обеспечивающих многопроцессорную работу, совсем немного. Популярна изнакома СМО от Intel (в оригинале SMP – Symmetrical Multi Processing). SMPсегодня – неотъемлемая принадлежность сервера и благодаря Windows NTWorkstation может применяться на ПК. Это уже давно не дорогостоящаяутопия – системные платы с парой Pentium или Pentium Pro (II) предлагаютсямногими известными поставщиками и вполне доступны. Работа несколькихпроцессоров поддерживается операционной системой. Запускать такуюмашину под MS-DOS или Windows версий от 3.1 до 95 – пустая тратавремени и денег. В пределах архитектуры SMP популярны двух- ичетырехпроцессорные системы (есть шестипроцессорная версия сервера ALRсерии Revolution).

Второй путь – кластеризация, он связан с операционной средой не менеечем SMP. Эффективность объединения нескольких машин в одну системусущественно зависит от качества и мощности коммуникаций между ними изначительно в меньшей степени зависит от мощности вычислителей. Кпримеру, оригинальная архитектура серверов компании Sequent являетсякластерным набором четырехпроцессорных сборок SMP, объединенныхмагистралью передачи данных в одном корпусе под управлением уникальнойОС. Sun для своих кластеров использует скоростной Fiber Channel, DEC –магистраль FDDI.

Кластерные решения очень громоздки, сложны и дороги. Далеко некаждый администратор рискнет сегодня использовать кластерные методыорганизации сетей, несмотря на все их преимущества.

Технологию SMP принято относить к “сильно связанным”мультипроцессорным архитектурам, а кластеры соответственно – к“слабосвязанным”. С точки зрения потребительских качеств иотказоустойчивости разница очевидна: грубый электрический дефект одногопроцессора многопроцессорной сборки SMP выводит из строя всю сборку,отказавший же узел кластера не препятствует дальнейшемуфункционированию всего кластера. Живучесть кластеров, бесспорно, внеконкуренции, и только исключительная сложность и дороговизна ихорганизации тормозят быстрое распространение этой технологии.

5.2.1. Индустриальные применения

Известны следующие конструктивы ВМ: индустриальные ПК и рабочиестанции; миниатюрные ПК (мини-ПК) для установки в панели управления;

67

панельные ПК в конструктиве “открытая рама”; одноплатные ПК дляпромышленного применения.

Области применения: встраиваемые системы, торговые автоматы,средства связи, медицинское оборудование, банковские системы, АСУТП,системы охраны, пульты управления аттракционов, бортовые системы натранспорте, лабораторные системы автоматического управления и контроля,измерительные системы, переносные диагностические комплексы.

В любом исполнении (за исключением одноплатных ПК) индустриальныемашины построены в основном на пассивных интерфейсных соединителях иактивных процессорных картах. Этим практически и исчерпывается общееконструктивное отличие промышленных машин от конторских персоналок.Поэтому на уровне рабочих станций (мощных управляющих и диспетчерскихкомпьютеров) нет препятствий для использования тех жемультипроцессорных решений, которые упоминались выше.

Дальнейшее увеличение числа “голов” в одной компьютерной системемаловероятно, используемые стандартные интерфейсные магистрали ISA,EISA или даже РСI не допускают наличия на магистрали нескольких“ведущих вычислителей”. При попытке механически установить впромышленную машину второй процессорный модуль система “повиснет”,не в силах решить вопрос приоритета (ввиду отсутствия аппаратногоарбитра).

Высокая надежность, отказоустойчивость, готовность,саморезервирование и самовосстановление в большинстве промышленныхприложений есть суровая и осознанная необходимость. Существует многоаппаратных решений для вычислительных систем (сетей), однако самоенадежное из них – использование универсальной платформы. Экспансия ПК –совместимых систем в области, где ранее и представить их было немыслимо,носит глобальный характер. Производители технологического программногообеспечения активно переносят свою продукцию на платформу Windows NT,оценив высокую работоспособность и живучесть этой операционной среды.Компания OR Technology доработала NT до требований к системамреального времени. NT в версии OR вполне отвечает всем жестокиминдустриальным канонам и может называться системой реального времени,ни в чем не уступающей признанным WinWorks или QNX. Конечно, NTвесьма требовательна к аппаратным ресурсам, даже, можно сказать,прожорлива; однако трудно конкурировать с объемом пользовательскогосервиса, предоставляемого Microsoft. NT постепенно выживает из АСУТПспециализированные ОС, как Intel х86 выживает специализированныеаппаратные процессорные архитектуры.

5.2.2. Решение STD МРХ

Технология STD80 была спроектирована как модифицированная иадаптированная промышленная версия интерфейсной магистрали первыхIBM PC. Внешне разъем STD выглядит близнецом разъема IBM XT (8-битовая секция разъемной пары, составляющей магистраль ISA). Логическоесходство также полное: протокол обмена (handshake) данными и адресамиидентичен ISA. Поэтому данный интерфейс относится к ПК-совместимым;программы, работающие с памятью и устройствами ввода-вывода, чувствуютсебя комфортно и в конструктивах STD, и в обычных ПК. По-другомуисполнена система прерываний, она универсализирована и реализует

68

несколько механизмов приоритетности устройств и каскадирования (системапрерываний STD более гибка, чем оригинальная). Модифицирована такжесистема приоритетов доступа к системной магистрали периферийныхустройств (мастер-режим). Для обеспечения всех дополнительных свойствинтерфейс STD располагает 7 специальными сигнальными линиями,отсутствующими у шины ISA. Те же семь сигналов плюс линиясинхронизации обеспечивают функционирование от одного до семипроцессорных блоков на одной интерфейсной магистрали, фактически водном корпусе. Методика мультипроцессорного сосуществования описанастандартом STD-MPX Version 1.0 (Multi Processing extensions), которыйявляется неотъемлемой частью общего стандарта STD, увековеченногодокументом IEEE 961. Несколько процессоров используют последовательный(цепочный) механизм приоритета доступа к шине, а соответственно – и ковсем периферийным устройствам на ней. Механизм арбитража реализованаппаратно и не требует модификации программного обеспечения.Цепочный механизм обеспечивает высший приоритет для самого правого (поместу установки) процессорного модуля; затем приоритет убывает влево. Припопытке обращения к устройствам на шине STD процессор, занимающий вданный момент шину (беседующий с каким-либо устройством), вынудитинициатора подождать. Это вносит в систему предсказуемость, так какмаксимальная задержка доступа к шине для процессорного модуля с данным(известным после установки) приоритетом легко учитывается, чтонеобходимо для работы задач реального времени.Для интеллектуальной координации работы процессоров обычноиспользуется глобальная память (двухпортовая Dual Ported Memory),доступная всем процессорам через шину STD, своего рода ОЗУ общегопользования. Физически двухпортовая память – обычная карта (модуль STD),занимающая одно место (слот). Область глобальной памяти отображается наадресное пространство каждого процессора и присутствует там как“собственная”. Обращение к такой памяти ничем, кроме скорости, неотличается от обычного режима и для пользовательских программ прозрачно.Окно (frame), появившееся в памяти каждого из процессоров, одновременновидно всем (для чтения) и доступно для записи в порядке общей очередиприоритетов. Двухпортовая память используется для обмена сообщениями нетолько между процессорами, установленными в одной аппаратной раме(корпусе), но и между двумя или более автономными системами. В этомслучае коммуникация очень напоминает упрощенное сетевое взаимодействиес очень высокой скоростью, но на очень коротких дистанциях (не болееметра).Сравнивая STD МРХВ с ЛВС, можно отметить высокую скорость обменаинформацией (около 60 Мбит) с периферийными устройствами в качестверазделяемой (совместно используемой – shared) сетевой периферии и полноеотсутствие сетевых операционных систем и драйверов. Могут использоватьсялюбые маломощные процессоры под управлением обычных версий MS-DOSот 3.3 до 6.22.Наличие арбитражной логики не является обязательным для любогопроцессорного модуля стандарта STD. Совместное использованиепроцессорных модулей, оборудованных арбитражной логикой и свободныхот нее, в одной аппаратной раме недопустимо, как для традиционных (ПК-совместимых), так и промышленных компьютеров.

69

5.2.3. Решение STD32-STAR32-разрядная версия технологии STD названа STD32. Обеспеченасовместимость вниз: конструктивы STD32 прекрасно принимают и понимают8-битовые модули STD80 (оригинальный формат) и 16-разрядные модулиSTD. STD80 и STD являются логическими аналогами магистрали ISA ввосьми- и шестнадцатиразрядном виде, а STD32 – это промышленная версиямагистрали EISA, от которой она унаследовала также механизм арбитражамастер-устройств (инициативных периферийных устройств, захватывающихшину для операций ввода-вывода, минуя центральный процессор). STD32унаследовала от STD и геометрический размер, и суровый промышленныйхарактер: стойкость, надежность и живучесть. Однако многопроцессорныйвариант выполнен существенно иначе, чем STD МРХ – на более высокомуровне, отвечающем потребностям и возможностям 32-разрядных систем.Разработчики из Ziatech именовали эту технологию STAR (Звезда). ТехникаSTD32 как явление достаточно нова и отвечает современному состояниюпрограммного обеспечения: она ориентирована на Windows вплоть до NT, атакже популярную операционную систему реального времени QNX.Модуль-арбитр контролирует 15 левых слотов, где и должны бытьрасположены все входящие в систему STAR процессоры в количестве от двухдо семи. Арбитр фиксирует номер процессора, а также идентифицируетвнешние запросы от процессоров на передачу информации через каналыпрямого доступа DMA и запросы к системе прерываний. Сигналыидентификации запросов прерываний (IRQ) и DMA выводятся на внешниелинии и могут быть использованы для чего угодно, в том числе для прямойпереадресации процессорам. Все процессоры, присутствующие в системе,снаряжены модифицированной версией Базовой Системы Ввода-Вывода(BIOS – STAR). “Звездный” BIOS делает мультипроцессорную работуабсолютно прозрачной и не требует никакой программной адаптации.Некоторая аппаратная специализация касается лишь одного, самого левогопроцессорного модуля: он считается первичным (primary master) и отвечает засинхронизацию шины (таймерные импульсы), а также за инициализациюпериферийных устройств, то есть приведение всей системы вработоспособное состояние. Все процессоры в системе равноправны иавтономны. На каждом процессоре может быть загружена своя операционнаясистема: MS-DOS, MS Windows или QNX со стартовой программой. Приотсутствии информационного взаимодействия между процессорами каждыйработает как самостоятельная персоналка (в терминологии Ziatech –виртуальный ПК). STAR поддерживает уникальный механизм переключенияоператорских консолей. Видеоадаптер с контроллером клавиатуры,собранный на одном из процессоров системы, простым нажатиемкомбинации клавиш Ctrl-Alt-Space полностью переключается на другойпроцессор и становится его полноценной консолью (другой виртуальныйПК). Еще интереснее выглядит комплект утилит и драйверов Star Windows,обеспечивающий механизм DDE (Динамический Обмен Данными) не толькомежду задачами одного процессора, но и между процессорами (задачами,решаемыми на различных процессорах). Виртуальная же консоль под StarWindows выглядит так, что пользователь может открыть все семь консолей наодном экране, в разных “окошках”, контролируя все задачи и все процессоры.STAR поддерживает все современные версии Windows. Магистраль STD32рассматривается ОС QNX как локальная сеть, а любой сетевой адаптер,обеспечивающий подключение к внешней сети, рассматривается как

70

соответствующий мост (bridge) между сегментами сети. Со стороны внешнейсети такая QNX-система выглядит аналогично – как несколько адресуемыхQNX-хостов.

5.3. Операционные системы реального времени для ИИС

Для создания многопроцессорных систем, работающих в режиме реальноговремени (РВ), необходимо базовое программное обеспечение, а именнооперационная система. ПО этого направления делится на две большиегруппы. К первой группе можно отнести небольшие модули, загружаемые наЦОС-процессоре, а также библиотеки подпрограмм для основногопроцессора, позволяющие реализовать обмен данными. ЦОС-процессор втакой системе является подчиненным процессором, управляемым основным(host-процессором). Организация функций систем РВ основана на обработкепрерываний и механизме обмена сообщениями. Главное достоинство этихсистем – небольшая цена. К системам этого типа можно отнести VCOS иDEASY.Вторая группа операционных систем – это операционные системы реальноговремени типа Spox или Multiprox. Цена этих систем составляет порядка 20-40тыс. долларов, но возможности их значительно выше. Операционная системаSpox фирмы Spectron Microsystems – одна из ведущих систем, используемыхв системах РВ для различных применений, в том числе на платформах смодулями ЦОС. Spox – это специализированная операционная системареального времени, создающая операционное окружение для приложений пообработке данных в реальном режиме.Другая система – Multiprox фирмы Comdisco. Multiprox – это системаразработки, которая позволяет инженерам графически формироватьприложения и разделять ЦОС-задачи для нескольких ЦОС-процессоров.5.3.1. Операционная система SpoxSpox (создана фирмой Spectron в 1987 г.) – это обрабатывающая сообщенияоперационная система, структурированная для обработки сигналов иприложений с интенсивной математикой. Это высокоуровневое окружениедля приложений имеет простые в использовании свойства, включаянезависимый от устройств ввод-вывод, удобные установки процессора иинтерфейс с основной машиной (имеется в виду основная ОС). Spoxобеспечивает объектно-ориентированную модель для ЦОС и математическойобработки.В последние годы Spectron ввела OSPA (открытая архитектура обработкисигналов) – расширение к Spox для ЦОС-приложений на основной машине.Запускаясь под MS Windows, OSPA обеспечивает интерфейс на уровнеосновной машины. Используя этот интерфейс, host-приложения могутпланировать и контролировать работу многочисленных программ на ЦОС-сопроцессорах (но это не параллельная обработка). OSPA является своегорода интерфейсом API (интерфейсом прикладных программ), которыйоблегчает интеграцию ЦОС-обработки в интерактивное приложение.Spectron изначально развивал Spox для TMS320C30, но сейчас операционнаясистема запускается также и на Motorola 96002, TI C40 и Analog Device21020. Spectron также выпускает версию Spox для параллельной обработки.Используемая модель обработки сообщений поддерживает многозадачность.Многозадачное расширение построено вокруг примитивов, основанных на

71

сообщениях, и может обеспечить высокоскоростную передачу данных черезканалы ввода-вывода. Spox позволяет совместно использовать память,установленную на отдельном модуле.SPOX поставляется в четырех основных конфигурациях.Однородные встраиваемые системы. Процессор ЦОС играет роль какобщецелевого, так и специализированного процессора. По существу, ЦОС-процессор замещает специализированный контроллер. Со SPOX ЦОС-процессор одновременно выполняет алгоритмы обработки сигналов вместе сосложным контролем по связи задач, прежде выполняемых наспециализированных контроллерах. Для приложений, требующихдополнительных мощностей, можно просто использовать дополнительныеЦОС-процессоры. SPOX поддерживает многопроцессорность.Разнородные встраиваемые системы. Встроенные компьютерные системыреального времени с полными чертами операционной системы (например,VXWorksÔ, OS-9Ô, LynxOSÔ) выполнены на основе ЦОС-подсистем. Этотрадиционная конфигурация, где ЦОС-подсистема прибавляется квстраиваемой компьютерной системе. Извлекая выгоду из приложений ЦОСв этих системах, Spectron предлагает сбалансированный подход,объединяющий традиционные встраиваемые компьютерные системы(используемые в промышленности) и DSP. Это открывает новый диапазонвозможностей для проектирования встроенного управления.Компьютерные интегрированные системы. В данной конфигурации рабочиестанции контролируют ЦОС-подсистемы. Приложение ЦОС запускается впривычном интерактивном окружении (MS-WinowsÔ, UnixÒ, DOS),выполняя приложение как тест или измерение, мониторинг контроляпроцесса, медицинские представления, сбор данных. Здесь приложение имеетресурсы как основной, так и ЦОС-системы, действуя под управлениемрабочей станции.Мультимедиа системы. Компьютер требует мощных вычислительных затратпо воспроизведению мультимедийных приложений, что соответствуетзадачам ЦОС: аудиозапись и воспроизведение, видео в реальном режиме,распознавание речи, синтез звука, телекоммуникационные функции, такие,как факс, модем. ЦОС-модуль размещается либо на материнской плате, либона дополнительной плате, а SPOX усиливает возможности мультимедиа впривычном пользовательском окружении.SPOX поддерживает высокопроизводительную многозадачность, обработкупрерываний, управление памятью, ввод-вывод в реальном времени ибольшой набор функций по обеспечению взаимосвязи между задачами ипроцессорами. SPOX имеет математическую и специализированную ЦОС-библиотеку функций, многие из которых написаны на ассемблере дляповышения производительности. SPOX поддерживает модель объектно-ориентированного программирования над векторами, матрицами ифильтрами. Для обеспечения этого имеется символьный отладчик икомпиляторы языков высокого уровня, таких, как Си. Библиотека SPOXможет использоваться на различных платформах, позволяя сосредоточитьсяна создании собственного приложения, не отвлекаясь на зависимость отплатформы.

72

5.3.3. Операционная система MultiproxВторое направление в развитии ПО – это Multiprox фирмы Comdisco, – пакет,который является новым выбором SPW (Signal Processing Workstation).Используя инструментальное множество, инженеры могут определять ЦОС-приложения графически, используя графические объекты, которыепредставляют компоненты ЦОС- обработки. Multiprox позволяет инженерамвыделять разделы среди потоков данных, рисовать диаграмму теченияданных и определять порции, работающие на разных процессорах.Дополнительно SPW-инструментальное множество и Multiproxавтоматически преобразуют диаграммы к процессорно-зависимому Си-коду ивстраивают в ПО связи или межпроцессорную коммуникацию, чтобыпередавать данные от одного процессора другому. Диаграммы потоковданных преобразуются в Си-программу, содержащую подпрограммы,некоторые из которых написаны на ассемблере и вручную оптимизированы.Таким образом, инженер может использовать инструменты, чтобыраспределять высокоуровневое ПО на различные процессоры или смешиватьпроцессоры.5.3.3. Операционная система VCOSVCOS (Visible Caching Oparating System) делает процессоры ЦОСсопроцессорами. VCOS – переносимая, многозадачная и многопроцессорнаяоперационная система реального времени. VCAS (VCOS Application Server) –резидентная на host-системе программа, загружает и связывает ЦОС-задачи иобеспечивает управление памятью и буфферизацию ввода-вывода междуhost- и ЦОС-процессорами.VCOS является “минимальной” операционной системой – она занимает менее400 32-разрядных слов в памяти процессора. ОС использует память host-системы для запоминания программы и данных. Она использует ее какресурс, чтобы кэшировать данные и код для более быстрой обработки напроцессоре. VCOS является “подчиненной” по отношению к host ОС, котораярасполагает и контролирует VCOS структуры данных, избегая таким образомсоперничества между подсистемами при доступе к памяти. VCOSвыполняется в высоко приоритетном режиме.VCOS поставляется вместе с полной библиотекой ЦОС-функций длямультимедийных приложений. Эти приложения включают V.32 модем, V.29FAX модем, видеозапись, обработку речи, графику, функции сжатия аудио- ивидеоинформации.

73

5.3.4. Операционная система DEASYОперационная система DEASY предназначена для разработки, отладки ивыполнения программ ЦОС для процессорных модулей DSP3x фирмы“Инструментальные системы”. DEASY – однозадачная система реальноговремени. Ни одна из системных функций не блокирует обработку внешнихсобытий (прерываний процессора) на величину более 500 нс.Основная концепция при разработке программ с использованием DEASYзаключается в том, что вокруг сигнального процессора создается виртуальнаяоперационная среда, позволяющая ему играть роль центрального процессорадля всего вычислительного комплекса, построенного на базе ПК. Такимобразом, обеспечивается прозрачный доступ процессора ЦОС ко всемресурсам ПК, включая экран монитора, клавиатуру, дисковые устройства,память, порты ввода-вывода и т.д. При этом облегчается процесс переносапрограмм из другой среды программирования и быстрое прототипированиепрограмм обработки сигналов с использованием традиционных способов.Операционная система DEASY включает набор библиотек и утилит длясоставления и отладки прикладных программ ЦОС.Библиотека System.a30 содержит набор функций для управленияпроцессором TMS320C30 и доступа к его внутренним регистрам из Си-программ.Библиотека Host.lib состоит из функций для инициализаций, загрузки,управления и обмена информацией между платой ЦОС и ПК.Библиотека Deasy.a30 содержит набор функций-аналогов библиотекикомпилятора Borland C и используется для “прозрачного“ доступа к ресурсамПК из прикладной программы, выполняемой на плате ЦОС.Библиотека Bgi.a30 включает в себя функции-аналоги графическойбиблиотеки компилятора Boland C и используется для доступа к графическимресурсам IBM PC.Исполняющая среда Deasy.exe предназначена для загрузки и выполненияприкладных программ, составленных с использованием приведенных вышебиблиотек. Она также содержит простейший диалоговый мониторинтерактивного взаимодействия с платой ЦОС.Символьный отладчик Kg30.exe, или символьный отладчик Cq30.exe,предназначен для отладки прикладных программ, выполняемых на платеЦОС.Библиотеки системных функций System и Host. Для организации работымногозадачного режима необходимо обмениваться сообщениями, которыеотображают текущее состояние работы программ. Например, послеокончания вычислений на одном процессоре (DSP) необходимо сообщитьцентральному процессору (CPU) о том, что он может забрать данные. Припересылке данных с CPU на DSP необходимо сообщить DSP, что он долженпроизводить расчет. Библиотеки системных функций System и Hostпозволяют организовать обмен сообщениями и данными.Библиотека System предназначена для компоновки с программамипользователя, написанными на языке Си или на Ассемблере для процессораTMS320C30. Библиотека Host предназначена для управления платой DSP состороны ПК из программы пользователя, написанной на языке Си. Даннаябиблиотека поставляется для компиляторов: Borland C/C++, Microsoft C,Watcom C.

74

6. ИИС С ПРОЦЕССОРАМИ ЦИФРОВОЙ ОБРАБОТКИ СИГНАЛОВ

6.1. Классификация ЦОС-приборов

ЦОС-приборы условно могут быть разбиты на четыре типа: дискретныеЦОС-элементы; микросхемы частного применения; микросхемы,реализующие специальные алгоритмы; ЦОС-микросхемы общего назначения.К первому типу относятся отдельные кристаллы, работающие в качествеумножителей (аккумуляторов), адресных генераторов, формирователейпоследовательностей. Системы цифровой обработки сигналов, построенныена таких микросхемах, наиболее дорогостоящие, требуют разработкисложных плат, потребляют большую мощность, их проектирование ипрограммирование занимает много времени; к числу их достоинств относитсявысокая производительность. Аппаратура на основе таких дискретныхэлементов и в дальнейшем останется на переднем крае производительности ивсегда будет применяться в тех случаях, когда разработчику необходимолюбой ценой достичь максимального быстродействия, жертвуя ради этого истоимостью, и размерами плат, и простотой разработки.Микросхемы ЦОС частного применения, изготавливаемые как на основематриц, так и на основе стандартных ячеек, предлагают разработчику массупреимуществ. Как и в случае применения дискретных элементов, разработкас использованием микросхем частного применения обеспечивает большоебыстродействие. Кроме того, они позволяют обеспечить значительноеснижение габаритов и рассеиваемой мощности по сравнению с дискретнымиэлементами. В настоящее время большинство ЦОС-микросхем частногоприменения приходится разрабатывать с использованием довольнопримитивных составляющих блоков, что делает процесс разработкидлительным и дорогостоящим.ЦОС-микросхемы, реализующие специальные алгоритмы, являютсяпродолжением группы дискретных ЦОС-элементов в том смысле, что онивыполняют специальные функции цифровой обработки сигналов с огромнымбыстродействием. Быстродействие таких приборов может многократнопревышать быстродействие ЦОС-микросхем общего назначения привыполнении задач обработки изображений или при реализацииспецифических алгоритмов, таких, как КИХ-фильтры. Однако такиемикросхемы так специализированы, что подходят лишь для одногоконкретного применения. Например, два идентичных прибора,предназначенных для реализации одного и того же алгоритма, не будутработать одинаково хорошо в разных условиях применения.Производительность при этом может различаться в два-четыре раза.

6.1.1. ЦОС-приборы общего назначенияАктивно развивающимся сегментом рынка ЦОС-приборов являются ЦОС-

75

микросхемы общего применения. С момента выпуска фирмой TexasInstrumets серии однокристальных ЦОС-микросхем общего назначенияTMS320 эта область промышленности завоевала множество приверженцев,включая AT&T Microelectronics, Analog Devices, Motorola, FujitsuMicroelectronics, NEC Microelectronics.AT&T была первой фирмой, вышедшей на рынок с коммерческой 32-разрядной ЦОС-микросхемой, DSP32. Одной из новых черт DSP32 являетсявозможность использования памяти как для программ, так и для данных. Накристалле имеется отдельный параллельный порт, через который в режимепрямого доступа к памяти можно загружать в адресное пространство однупрограмму, в то время как кристалл продолжает выполнять другую. Этавозможность используется для динамической дозагрузки следующейпрограммы в течение выполнения предыдущей, позволяя переключаться содной задачи на другую в режиме, близком к режиму реального времени.Другой чертой микросхемы DSC32, сохраненной и в DSP32C, являетсявозможность байтовой адресации, что позволяет не тратить попусту 32-разрядную ячейку на хранение 8-разрядного элемента изображения, или, приорганизации связи, 8-разрядного слова, используемого при компрессииданных. Байтовая адресация особенно важна при графических применениях ив системах обработки изображений, где изображения обрабатываются,записываются и считываются последовательно по одному элементу.Микросхема DSP32C также характеризуется улучшенной процедуройобработки прерываний. В режиме реального времени необходимореагировать на прерывания, обрабатывать их и возвращать управлениеосновной программе с минимальными потерями времени. Нет времени надлительный переход от одной задачи к другой, при котором требуетсясохранить содержимое всех аккумуляторов и регистров, затем обработатьпрерывание и вновь восстановить все аккумуляторы и регистры.Последнее предложение фирмы Motorola представляет 32-битовыйпроцессор цифровой обработки сигналов 96000, который является вариантомс плавающей запятой фирменного семейства процессора цифровой обработкисигналов 56000 с фиксированной запятой. Работая с тактовой частотойгенератора 26,7 МГц, микросхема предоставляет скорость вычислений,необычную для микросхемы ЦОС-процессора общего назначения. Пиковаяскорость с плавающей запятой составляет 40 МFLOPS. Гарвардскаяархитектура процессора выполнена в виде пяти внутренних шин данных итрех адресных шин, каждая размером 32 бит, связывающих различныересурсы на кристалле. Область внешней памяти адресуется посредством 32-битового адреса, управляемого мультиплексором, который может выбиратьодну из внутренних шин данных. Три 32-битовые исполнительныеустройства – АЛУ данных, устройство генерации адреса и программныйконтроллер – работают внутри центрального процессора параллельно.

76

Фирма TI лидирует на рынке однокристальных ЦОС-микросхем, оставляядалеко позади конкурентов. Эксперты, анализирующие состояние рынка,отмечают, что эта компания контролирует почти 70 % рынка – в шесть разбольше, чем ее ближайший соперник. За небольшим исключениемнаблюдается общая тенденция перехода к однокристальным приборам сплавающей запятой. По сравнению с целочисленными ЦОС-приборами имикросхемами с фиксированной запятой приборы с плавающей запятойобеспечивают значительно более широкий динамический диапазон, большееразрешение и простоту программирования. Кроме того, существуетмножество функций, которые не могут быть выполнены с помощьюарифметики с фиксированной запятой. При отсутствии кристаллов сплавающей запятой от некоторых удобных процедур приходитсяотказываться, заменяя их более громоздкими процедурами математики сфиксированной запятой. Зачастую это не только затягивает процесспрограммирования, но и увеличивает время обработки, сводя на нетскоростные преимущества многих высокопроизводительных приборов.Микросхема TMS320Cхх, флагман ЦОС-продукции фирмы TI, безусловнопревосходит по производительности все имеющиеся микросхемы цифровойобработки сигналов и используемые для этих целей микроконтроллеры имикрокомпьютеры.В процессоре 320С30 используется Гарвардская архитектура с четырьмя 24-битовыми шинами адреса, тремя 32-битовыми шинами данных, 24-битовойшиной адреса периферийных устройств и 32-битовой шиной данныхпериферийных устройств. Память на кристалле также включает ПЗУ (4 Ксловпо 32 бит) и кэш-память для команд размером 64 слова по 32 бит в каждомдля хранения часто используемых участков программы.Центральный процессор TMS320С30 состоит из устройства умноженияцелых чисел с плавающей запятой; АЛУ, выполняющего операции надданными с плавающей запятой, целого типа и логического типа;вспомогательных регистровых арифметических устройств. Устройствоумножения и АЛУ могут быть запрограммированы на каждую 32-битовуюоперацию с плавающей запятой (40 бит при повышенной точности) или 24-битовую операцию над целыми числами. Другие элементы микросхемывключают два таймера, два 32-битовых параллельных порта, два 8Мбит/последовательных порта и контроллер прямого доступа к памяти дляпараллельного использования портов без прерывания центральногопроцессора.Интерфейсы процессора обеспечивают связь с множеством внешнихпериферийных устройств различной степени сложности. ИнтерфейсыTMS320С30 делятся на несколько различных типов в зависимости отустройств, с которыми требуется соединение. Все интерфейсы независимыдруг от друга, каждый может выполнять свою операцию одновременно с

77

независимой работой другого интерфейса. Основная шина и шинарасширения образуют карту памяти устройства.

6.2. Перспективы использования приборов ЦОС

Многие производители систем цифровой обработки сигналов видятнедостатки производительности и функциональных возможностейсуществующих однокристальных цифровых процессоров сигналов общегоназначения и рассматривают возможность создания собственных цифровыхпроцессоров сигналов специального назначения. Однако относительнонизкий объем производства, характерный для таких случаев, и отсутствиебиблиотек стандартных элементов ограничивают такой подход применениемвентильных матриц. В большинстве случаев цифровые процессоры сигналовспециального назначения реализуются путем изготовления по заказуаналогов существующих стандартных кристаллов либо разрабатываются наоснове дискретных элементов. Когда требуемый объем производствадостаточно велик, производители кристаллов выпускают модифицированныес учетом пожеланий заказчиков версии стандартных микросхем.Производители микросхем стараются также расширить ассортимент своихизделий, чтобы охватить весь спектр применений.У микросхем цифровой обработки сигналов общего применения большоебудущее. Однако такие микросхемы, по всей видимости, никогда полностьюне вытеснят дискретные элементы, применяемые для построениятрадиционных устройств цифровой обработки сигналов. Непрерывный ростпроизводства однокристальных цифровых процессоров сигналов общегоназначения, видимо, породит целый спектр новых применений, а неограничится простым расширением существующих направлений.По мере становления технологии цифровой обработки сигналов дажепотенциальные пользователи продолжают спорить по поводу необходимогоуровня производительности и функциональных возможностей. Разработчикисистем цифровой обработки сигналов на основе использованиядополнительных плат для персональных компьютеров больше озабоченыстоимостью, мощностью и миниатюрностью компонентов, чем вопросамиприменения дискретных элементов. Другие пользователи, связанные своенными заказами и другими областями применения, где быстродействиеимеет первостепенное значение, готовы пожертвовать ради него всемиостальными удобствами.Производители однокристальных процессоров сигналов стараются заполнитьвсе наши рынки стандартными изделиями, обеспечивая при этом ихмаксимальную гибкость, гарантирующую успешное применение в самыхразличных областях.Чтобы использовать ЦОС, инженеры, знакомые только с традиционными

78

микропроцессорами, должны будут иметь дело с набором архитектурныхновшеств обработки и программными ограничениями. ЦОС-микропроцессоры не являются традиционными RISC- или CISC-процессорами. Фактически они больше похожи на традиционные, первыемикропроцессоры, предназначенные для решения математических задач.Программирование ЦОС-микросхем включает изучение новых способовпостроения циклов обработки.32-битные ЦОС-процессоры в последние годы объединяют преимущества 32-битной адресации RISC-процессоров и числовые возможности векторныхпроцессоров. Большой объем памяти позволяет ЦОС-процессорамиспользовать языки программирования высокого уровня, такие, как Си.Специализированные ЦОС-процессоры все больше находят применение втрадиционной микропроцессорной архитектуре. Например, производители 8-,16-разрядных микроконтроллеров добавляют ЦОС-возможности кприложениям по контролю и диагностике машинного оборудования.ЦОС-микросхемы становятся ключевым инструментом в мультимедийныхприложениях, таких, как комбинирование голоса и видеоинформации. ЦОС-процессор устанавливается на системной плате как сопроцессор длямультимедиа обработки.

6.3. Архитектура ЦОС

Основная особенность ЦОС-процессоров состоит в том, что они не являютсястандартными процессорами. ЦОС-процессоры были специальносконструированы для методов обработки сигналов, которые сталиразвиваться в конце 60-х годов. ЦОС-процессоры не поддерживают никакойспециальный язык программирования или операционную систему.Для увеличения скорости процессоры ЦОС поддерживают параллелизм иконвейерный режим работы. Большинство процессоров ЦОС имеютГарвардскую архитектуру, которая характеризуется разделением памятипрограмм и данных. Это влечет за собой разделение шины данных и шиныадреса, что в свою очередь позволяет обрабатывать данные одновременно сзагрузкой следующей инструкции, в результате чего обеспечивается высокаяпроизводительность приложений. ЦОС-процессоры имеют рядспециализированных устройств обработки, которые могут работатьнезависимо и параллельно. Всегда имеется арифметико-логическое ус-тройство для выполнения арифметических и логических операций, сдвиг длямасштабирования данных, генерации адреса.ЦОС-архитектура позволяет организовывать многозадачную обработку ипараллельные операции. Например, TMS320C40 имеет коммуникационныепорты, которые могут связывать процессор еще с шестью другими С40процессорами для обмена данными и для координации работы. 32-разрядные

79

ЦОС-процессоры имеют много встроенных системных микропроцессорныхатрибутов, таких, как относительно простая иерархия памяти.Главное, что отличает ЦОС-микросхемы от микропроцессоров общегоназначения, это высокоскоростное выполнение инструкций MAC (умножениеи накопление), что является ключевым требование для обеспечения высокогобыстродействия и итеративной алгоритмической обработки. Аппаратнаяподдержка MAC позволяет многим ЦОС-процессорам выполнять в одномцикле умножение с плавающей точкой, которое накапливается бездополнительных затрат. MAC-циклы являются ключевым преимуществомдля обработки с интенсивной математикой, такой, как матричныеманипуляции и вычисление рядов.ЦОС-микросхемы реализуют быструю итеративную обработку с встроеннымитерационным контролем. В отличие от стандартных процессоров, длякоторых программисты должны явно устанавливать, итерировать иконтролировать цикл обработки, многие из этих ЦОС-процессоров имеютвстроенный механизм аппаратного контроля. Эти механизмы включаютконтроль цикла, который определяет границы цикла и счетчик цикла,контроль за циклическим буфером (модуль доступа в таблицу), разделениеструктуры памяти и адресации, определение шага данных или длиныэлемента. Эти механизмы особенно эффективны для построения рядов илидля матрично-векторных вычислений.ЦОС-микросхемы позволяют выполнять мощную обработку с маленькимкодом программы, потому что они могут делать много операций наинструкцию. Операции включают встроенную операцию циклов и адресации.ЦОС-архитектура сложна, но она позволяет значительно уменьшить кодпрограммы.Мощные ЦОС-процессоры могут делать много операций на машинный цикл.Использование многошинной архитектуры позволяет этим процессорампланировать более одной операции на машинный цикл. Например,инструкция кэширования и обращение к памяти данных Motorola 96002может производиться одновременно с умножением с плавающей точкой,сложением и вычитанием, которые загружают два регистра и выполняютпреобразования в одном машинном цикле.Цифровая обработка сигналов и многие другие математически интенсивныеприложения нуждаются в многопроцессорных конструкциях. Некоторые изновейших ЦОС-процессоров специально построены как дляпоследовательной работы программ, так и для параллельной обработки.Один из самых мощных ЦОС-процессоров Motorola 96002 позволяеторганизовать многопроцессорную систему. 96002 имеет порт, который можетобращаться к внутренней памяти другого процессора, то есть имеетсявозможность обмена данными. Обмен данными происходит сиспользованием каналов ПДП. Передача данных может быть организована

80

одним из трех методов передачи данных: от полной синхронной, требующейподтверждения передачи данных, до передачи без всякого подтверждения.TMS320C40 фирмы Texas Instruments является модификацией популярногопроцессора TMS320C30, предназначенного для параллельной обработки.Компания TI добавила дублированную шину для двойного доступа по шине.Более ранние С30 имеют две шины (24 и 13 бит) с ограниченной адресацией.В С40 имеется шесть 8-битных коммуникационных портов, каждый изкоторых имеет возможность пропускать данные со скоростью до 20 Мбайт/с.По этим портам можно связаться с другими С40. Каждый порт имеетспособности прямого доступа к памяти: передача данных через портпроисходит независимо от центрального процессора. Шесть ПДП-каналовразделяют (совместно используют) шину ПДП для главных внешних портов.Они также разделяют периферийную шину, которая обслуживает таймеры.С40 может пересылать данные порядка 120 Мбайт без загрузки центральногопроцессора.

6.4. Модуль DSP30

Используемый в лабораторном практикуме по данному курсу апаратно-программный комплекс включает модуль цифровой обработки сигналовDSP30. Модуль разработан компанией "Инструментальные системы" на базеЦОС-процессора TMS320C30 и предназначен для реализации алгоритмовцифровой обработки сигналов в реальном времени [4].Модуль DSP30 поддержан программным обеспечением ряда j30. Программыэтого ряда работают под управлением MS-DOS или Windows, обеспечиваякак поддержку разработчика (отладка, функции нижнего уровня принаписании программ, ввод-вывод), так и эмуляцию векторного сопроцессора[4]. Конструктивно модуль DSP30 выполнен в виде платы стандарта ISA 16бит.Процессорные модули DSP30 обеспечивают подключение дополнительныхустройств по параллельным и последовательным интерфейсам. Модулиполностью реализуют преимущества, предоставляемые дополнительнойшиной адреса и данных процессора TMS320С30. На дополнительной шинепроцессора размещен унифицированный интерфейс локальной шины InSys-Link, обеспечивающий обмен с внешними устройствами параллельно соперациями на основной шине. На основной шине процессора расположеноот 32 до 256 Кслов быстрой статической памяти и до 64 Кслов статическойпамяти на дополнительной шине TMS320С30. Модули DSP30предусматривают возможность наращивания ресурсов основной памятипосредством подключения дочерних плат динамической или статическойпамяти. Доступ к основной памяти модуля со стороны CPU выполняется потехнологии LIM-EMS. С помощью переключателей обеспечивается выбор

81

одного из восьми базовых адресов регистров управления. Выбор одного изчетырех прерываний ПК, а также значений базового адреса окна доступа вадресном пространстве памяти ПК программируется в дополнительномрегистре.

6.4.1. Архитектура DSP30В составе DSP30 можно выделить следующие подсистемы (рис. 6.1):* однокристальный процессор TMS320C30;* два блока статической памяти (объемом 32-1024 Кбайт на основнойшине и 32 Кбайт на дополнительной шине) без тактов ожидания;* унифицированный параллельный 32-разрядный интерфейс InSys-Linkс пропускной способностью 33 Мбайт/с, позволяющий обмениваться свысокоскоростными источниками/приемниками данных;* два последовательных синхронных интерфейса с пропускнойспособностью 8 Мбит/с;* интерфейс с ПК, обеспечивающий обмен информацией исинхронизацию процессов между DSP30 и персональным компьютером.

82

Интерфейс с ПК

Интерфейсрасширения

основнойшины

ИнтерфейсInSys-Link

Внешниефлаги

Интерфейспрерываний

ПДПинтерфейс

P-bus

Сигналыуправления

Интерфейстаймера

Е-bus

Последоват.порт 0 (1)

TMS320C30

ОЗУ

ОЗУ

Устройствоуправления

Интерфейспоследовательного

порта 0 (1)

Рис. 6.1. Функциональная схема DSP30

На плате сформировано двухпортовое оперативное запоминающееустройство (ОЗУ), доступ к которому имеют как TMS320C30, так и ПК.TMS320C30 “видит” двухпортовое ОЗУ как непрерывную линейную областьпамяти. CPU обращается к этому ОЗУ постранично с элементами технологииLIM/EMS. В интерфейсе реализованы также взаимные прерывания.

6.4.2. Программное обеспечение ЦОСДо появления 32-разрядного поколения ЦОС-процессоров основным языкомпрограммирования был ассемблер. Компактный код был необходим,особенно для 16-разрядных ЦОС-процессоров с ограниченным адреснымпространством. 32-разрядные ЦОС-процессоры с плавающей точкой имеюткомпиляторы и отладчики языков высокого уровня. Многие современныепроцессоры могут адресовать от 16 Мбайт до 4 Гбайт адресногопространства. Компиляторы Си для ЦОС-процессоров достиглипрофессиональных стандартов. Программирование ЦОС-процессоров сталоне сложнее, чем программирование CPU.

83

Многие ЦОС-приложения используют десятки Мбайт памяти. Разработчикиприложений ЦОС используют Си для написания программ управления,вычислительных модулей и для структурирования данных, а также ассемблердля оптимизации производительности в критически важных участках кода.Cи позволяет производителям комплексного оборудования быстрее развиватьинструментальные средства разработки и интегрированные программныесреды для облегчения пользователям перехода на новые системы.Использование специализированных библиотечных функций, написанных наассемблере для каждого ЦОС-процессора, позволяет реализоватьпреимущества архитектуры процессоров разных производителей.Современные 32-разрядные ЦОС-процессоры с плавающей точкой и ихкомпиляторы с языков высокого уровня, а также операционные системыреального времени открывают преимущества цифровой обработки сигналовдля более широкого использования.

6.5. Двухпроцессорный информационно-вычислительный комплексдля обработки измерительных данных

Во многих областях науки наблюдается тенденция повысить степеньавтоматизации проведения эксперимента, улучшить эффективностьобработки данных с помощью цифровых методов обработки сигналов,сократить временные затраты на анализ и систематизацию полученнойинформации. Все чаще необходимо проводить эксперименты в реальномвремени с использованием многоканальных входных потоков данных, что,естественно, предъявляет жесткие требования к производительностивычислительной системы. Для решения таких задач актуальна разработкаэффективных алгоритмов обработки сигналов с использованием ресурсовпроцессоров цифровой обработки сигналов в составе информационно-измерительных комплексов.В последнее время персональный компьютер (ПК) стал неотъемлемой частьюсистем, предназначенных для сбора, обработки, анализа и представленияданных при проведении научных исследований. Это обусловленооткрытостью архитектуры, достаточными вычислительными ресурсами длябольшинства приложений, хорошими графическими возможностями,доступностью разнообразных инструментальных средств разработкипрограммного обеспечения. Поэтому своевременной является разработкаалгоритмов и программного обеспечения для цифровой обработки данных врасчете на использование ПК как базовой вычислительной платформы,обеспечивающей автоматизацию экспериментов и графическоепредставление результатов анализа.

6.5.1. Характеристики вычислительного комплексаНа кафедре компьютерных технологий и систем Владивостокского

84

государственного университета экономики и сервиса разработанмногоканальный измерительно-вычислительный двухпроцессорныйкомплекс, предназначенный для ввода, хранения, обработки и анализаизмерительных данных. Комплекс содержит плату сбора данных ADC12/200[5] и модуль цифровой обработки на основе процессора фирмы TexasInstruments TMS320C30. В качестве базовой вычислительной платформывыбран ПК с процессором i80486DX4 и шинной архитектурой ISA/PCI.Дополнительно комплекс оборудован блоком подготовки аналоговыхсигналов, выполняющих усиление и полосовую фильтрацию.Частотный диапазон аналоговых измерительных сигналов (10 Гц... 80 КГц),количество параллельных информационных каналов (16) и динамическийдиапазон сигналов на входе (70 Дб) обуславливают технические требования ксистеме, которые можно рассматривать как типовые для приложений,связанных с обработкой акустических, гидрофизических, сейсмо- ивиброакустических данных.Разработаны алгоритмы и программное обеспечение для двухпроцессорногоинформационно-вычислительного комплекса, позволяющие:одновременно оцифровывать аналоговые сигналы по 16 каналам;сохранять данные на жестком диске ПК в нескольких форматах;выполнять предварительную обработку данных – сглаживание, удалениетрендов, обнаружение регулярных участков, оперативная оценкадоминирующих частот;выполнять спектральный анализ классическими и параметрическимиметодами оценки для одноканальных и многоканальных измерительныхсигналов;синтезировать фильтры с конечной импульсной характеристикой ивыполнять цифровую фильтрацию сигналов;выполнять спектральный анализ и фильтрацию с применением двухпроцессоров (основной процессор ПК (CPU) и цифровой процессор сигналов(DSP) TMS320Cxx) в режиме реального времени;выполнять некоторые специфические преобразования – вычислять матрицукорреляций, оценивать четвертые моменты случайных сигналов, определятьпеленг при регистрации эхосигналов, оптимизировать отношениесигнал/помеха при совместной обработке данных нескольких каналов.Разработанный программный комплекс содержит три модуля, работающих вмногозадачном режиме на двух процессорах: регистрация данных и текущаяоценка спектра (режим реального времени), спектральный анализ снакоплением, фильтрация данных. Для организации синхронно работающихпроцессов использовались функции библиотек, входящих в операционнуюсистему Deasy [6]. Deasy предназначена для разработки, отладки ивыполнения программ ЦОС на процессорных модулях DSP 3x НТК “Инстру-ментальные системы”, построенных на базе процессоров TMS320C3x. Deasy –однозадачная операционная система реального времени. Многозадачностьбыла реализована на основе совместного использования операционныхсистем MS-DOS, Windows и Deasy.Для организации работы многозадачного режима реализован механизмобмена сообщениями, которые контролируют текущее состояние работыпрограмм. Например, после окончания вычислений на ЦОС-процессоренеобходимо сообщить основному процессору, что он может получитьрезультат и далее инициировать продолжение вычислений на процессореЦОС. Библиотеки системных функций позволяют генерировать иорганизовать обработку прерываний от одного процессора другому. Наоснове этих функций был организован обмен сообщениями и данными.

85

Библиотека для основного процессора предназначена для управлениямодулем ЦОС со стороны CPU из программы пользователя, написанной наязыке Си. Данная библиотека была модифицирована для Zortech DOS, 32-разрядной DOSX и для Windows Symantec C++ и Visual C++.6.5.2. Оцифровка и ввод данных в компьютерНазначение параметров и режимов аппаратуры сбора данных, оцифровка иввод данных в ПК, вывод через ЦАП осуществляются с помощью программ-драйверов, инициирует работу которых управляющая программа покомандам пользователя. Оцифровка и ввод данных проходит в одном изследующих режимов (программы работают под DOS и Windows):· оцифровка и ввод данных в основную память ПК;· оцифровка и запись данных на жесткий диск ПК (возможны различныеформаты данных);· оцифровка, ввод данных в основную память ПК и выделение регулярныхучастков сигнала с графическим представлением результатов;· ввод данных в память ПК с одновременным вычислением спектральныххарактеристик и отображением сигнала и результатов обработки (обработкупроизводит ЦОС-процессор).Каждый режим имеет свое функциональное назначение, свои достоинства иограничения. Например, режим ввода данных в память ПК под DOSпозволяет заполнять буфер данными без потери информации, но буферограничен памятью DOS и реально не превосходит 80000 отсчетов. Послезаполнения буфера в оперативной памяти данные отображаются на экране и вэто время ввод данных не производится, что приводит к потерям отсчетов.Запись данных на жесткий диск позволяет регистрировать реализациибольшой длительности без потерь в отсчетах до определенной частотыдискретизации, которая зависит от характеристик жесткого диска. Данныйспособ ввода не позволяет проводить текущий контроль регистрируемыхданных.

Рис. 6.2. Вид графического окна при вводе данных в ПК с одновременной

86

обработкой и отображениемРежим ввода данных с текущей оценкой спектра обеспечиваетодновременный ввод, отображение и обработку данных (рис. 6.2). Данныезаполняют буфер, доступный в Windows, а это значительно больше, чем 80Котсчетов. На ПК, имеющем емкость оперативной памяти 8 Мбайт, буфер сданными может содержать 3000 Котсчетов. Буфер заполняется циклически, иостановка происходит только по желанию пользователя. С отображениемсигнала и результатов обработки ввод данных без потерь возможен только доопределенной частоты дискретизации. Это максимальное значение частотыдискретизации определяется характеристиками ПК (тип процессора, емкостьоперативной памяти, наличие графического ускорителя).6.5.3. Спектральная обработка данных на двухпроцессорнойвычислительной платформеПрограмма расчета спектральных характеристик предназначена длявычисления автоспектра, взаимного спектра и функции когерентности.Расчет может быть произведен с помощью процессора TMS320C30 или безнего. В первом случае большую часть вычислений берет на себя ЦОС-процессор. Основной процессор ПК выполняет функции ввода данных играфического представления результатов на мониторе.Для вычисления спектральных характеристик используется классическийпериодограммный метод расчета [7] (обработка другими спектральнымиметодами осуществляется только на CPU, поскольку оперативная память наиспользуемом модуле ЦОС ограничена объемом 256 Кбайт). Данный методоснован на вычислении частичной периодограммы с помощью процедурыбыстрого преобразования Фурье (БПФ) с последующим накоплениемрезультатов. Результаты промежуточных накоплений отображаются намониторе в процессе вычисления.Алгоритм оценки спектра можно разбить на три основных этапа.1. Выбор данных для i-го участка.2. Собственно расчет спектральной характеристики на i-м участке.3. Накопление результата и его отображение.Очевидно, что пункт 2 должен выполнять процессор ЦОС. Максимальнаяпроизводительность в таком случае будет достигнута, если по временнымзатратам пункт 2 будет равен сумме пунктов 1 и 3. Для организациипараллельной работы двух процессоров используется механизм передачи иобработки сообщений. Оба процессора постоянно находятся в режимеожидания, посылки или обработки сообщения. Вычисление спектральнойхарактеристики на i-м участке, может производиться одновременно сотображением результатов накопления до (i-1)-го участка и считываниемданных (i+1)-го участка. ЦОС-процессор выполняет все основныевычислительные функции: расчет функции весового окна и энергии окна,центрирование и взвешивание данных, а также БПФ и вычислениевыборочного спектра. Блок-схема параллельного алгоритма приведена на рис.6.3.

87

Нет

Нет

Инициализация ЦОС, запуск программы наЦОС, пересылка параметров и сообщение

МЕМ на ЦОС, запуск платы сбора данных

Запуск ЗапускCPU DSP

Сообщениеот CPU

ПДП kотработал

Нет Да

MEMИнициа-лизацияпамяти;расчетокна

DATA

Передача данных в памятьWindows, инициализация

ПДП k

Сборданныхв буфер,ПДП n

Передача данных исообщения DATA на ЦОС

Отображение данныхпо ПДП k

Сообщениеот ЦОС =READY

Вычислениеспектральных

характеристик:центрирование,

взвешивание,БПФ , мощность

Посылкасообщения

READYДа

Передача спектра с ЦОС,отображение спектра

Остановка?Да

Посылкасообщения EXIT

EXIT

Выход

Рис. 6.3. Блок-схема параллельного алгоритма ввода и текущей оценкиспектра

Достаточно сложно организовать работу программы так, чтобы ни одинпроцессор не простаивал. Это зависит от производительности процессоров, аименно: какая пара процессоров используется (i80386(40 МГц)+TMS320Схх,i80486(50 МГц)+TMS320Схх, i80486(100 МГц)+TMS320Схх и т.д.), какаязадача решается, как программа разделяет ресурсы, и еще от очень многихпараметров, например, скорости доступа к жесткому диску,

88

производительности видеосистемы.Так, программа, которая дает значительный выигрыш во времени на пареi80386+TMS320С30, может проигрывать по времени на пареi80486(50)+TMS320С30 по сравнению с использованием одного процессораi80486(50). Последнее обусловлено тем, что основной процессор ПК в этомслучае выполняет некоторые процедуры значительно быстрее, чемTMS320С30, и вынужден простаивать, ожидая результаты обработки.Очевидной рекомендацией является требование согласованияпроизводительности CPU и процессора ЦОС.Программа вычисления спектральных характеристик тестировалась напроцессорах двух типов: i386(40 МГц) и i486(50 МГц). В таблице 6.1приведены результаты работы программы на этих процессорах сиспользованием TMS320C30 и без него. Сигнал, содержащий 50 Котсчетов,считывался из файла порциями по 512 отсчетов. Процент перекрытиясоставлял 50%, то есть число выборок равно 199. Обработка по алгоритмурасчета спектральной плотности мощности выполнялась либо сиспользованием ресурсов CPU, либо TMS320C30. В процессе расчетаосновной процессор отображал результаты в графическом виде. Общее времявыполнения программы приведено в секундах. Как видно из первых двухстолбцов таблицы, для процессора i80386 время оценки спектральнойхарактеристики на двух процессорах существенно меньше, чем на основномпроцессоре ПК. Время вычислений на паре TMS320C30+ i80486 и на i80486почти одинаково, поскольку производительность этих двух процессоров длявычислений с плавающей точкой сравнима.

Таблица 6.1Время вычисления автоспектра

i80386 (40) i80386 (40)+TMS320Ñ30

i80486 (50) i80486 (50)+TMS320Ñ30

24,8 с 17,8 с 14,1 с 13,2 с

Тесты, проведенные для различной длины выборки, коэффициентовперекрытия, числа спектральных отсчетов, показали, что приведенные втаблице пропорции для времени выполнения программ при использованииTMS320C30 и без него практически сохраняются. На рис. 6.4 приведенрезультат оценки спектра сложного сигнала.

89

Рис. 6.4. Результаты оценки спектра сложного сигнала: гармоника с частотой40 Гц, сигнал с линейной частотной модуляцией (начальная частота 200 Гц,девиация 50 Гц), белый шум (амплитудное отношение сигнал/шум равнотрем)

6.5.4. Фильтрация сигнала на двухпроцессорной платформеДля программы фильтрации использован алгоритм секционированнойсвертки с перекрытием [8]. Подготовка данных для обработки и отображениярезультатов фильтрации производится основным процессором. Собственнофильтрацию (БПФ, перемножения, обратное БПФ и сложение остатков)выполняет процессор ЦОС. Для обеспечения максимальногораспараллеливания процедур обработки необходимо, чтобы подготовкаданных, сохранение и отображение результатов выполнялись во времяработы процессора ЦОС.Тестирование программы проводилось с учетом и без учета временных затратна отображение результатов на компьютерах с процессорами i80486(50) иi80486DX4(100) (табл. 6.2).Время приводится в секундах для 100 Котсчетов. Данные по 1Котсчетусчитываются с жесткого диска, обрабатываются на основном или ЦОС-процессоре и затем записываются на жесткий диск. Из таблицы видно, чтовыполнение фильтрации с использованием двух процессоров(i80486(50)+TMS) требует в два раза меньше времени, когда результатыфильтрации не отображаются на мониторе. Отображение результатовявляется длительной процедурой для компьютеров без графическихускорителей. Необходимо отметить, что из 6.3 с CPU “простаивает” около 3.3с. Это время может быть использовано для отображения текущих результатовфильтрации. Но на ПК с процессором i80486(50) без графическогоускорителя для графического отображения в среде Windows 100х1024отсчетов требуется 18.7 с. Эффективность фильтрации на паре процессоровi80486(100) и TMS320C30 существенно выше, поскольку удается согласовать

90

время выполнения процедур обработки и отображения результатов.

Таблица 6.2Время выполнения фильтрации сигнала

Тип алгоритма i80486(50)

i80486(100)

i80486(50)+TMS

i80486(100)+ TMS

Безотображения

12,4 с 4,9 с 6,3 с 4,7 с

Сотображением

32,5 с 10 с 25 с 6,2 с

На рис. 6.5 приведен спектр сигнала после низкочастотной фильтрации,амплитудная и фазовая характеристики фильтра приведены на рис. 6.6.Спектр исходного сигнала до фильтрации изображен на рис. 6.4.

Рис. 6.5. Спектр сложного сигнала после низкочастотной фильтрации

91

Рис. 6.6. Частотная характеристика фильтра нижних частот с частотой среза300 Гц

Процесс разработки алгоритмов и программ цифровой обработки сигналов играфического сопровождения измерений для двухпроцессорныхвычислительных платформ имеет ряд особенностей. Во-первых, обработкадолжна осуществляться в темпе времени, с которым изменяются входныеданные. Поэтому многие алгоритмы желательно распараллеливать длясовместного использования вычислительных ресурсов основного процессораПК и процессора ЦОС. Во-вторых, возникает проблема разделения общихресурсов (общая память, системная шина, устройства ввода-вывода и т.д.).Проблема с низкой пропускной способностью системной шины ISA можетбыть решена путем использования специализированных локальных шин.Повышение эффективности (речь идет о времени выполнения программ)каждого программного модуля в системе с последовательным выполнениемкоманд всегда приводит к повышению общей эффективности программногообеспечения (ПО). Поэтому повышение эффективности ПО можетпроизводиться на стадии отладки и тестирования. Но когда речь идет опараллельной вычислительной системе, справедлив тезис: “Система плоханастолько, насколько плохо самое слабое ее звено”. Это означает, чтонеобходимо определять самый длительный процесс, что не всегда легкосделать. Кроме того, самый быстрый процесс на одной вычислительнойсистеме не обязательно окажется таким же на другой. Например, процессотображения результатов обработки на мониторе ПК может быть оченьдлительным на компьютере без графического ускорителя и не критичным повремени на компьютере с ускорителем. Конечно, повышение эффективностиотдельных программных модулей тоже имеет смысл, но разумнеесосредоточить внимание на самом критичном процессе.В разработанном программном комплексе у каждого процесса была

92

организована своя область сообщений. Для обеспечения параллельнойработы используется механизм передачи и обработки сообщений. Чтобыповысить эффективность ПО, следует организовать очередь сообщений,когда оба процесса посылают в очередь свое сообщение и продолжаютработу, не ожидая, пока другой процессор возьмет из очереди предыдущеесообщение.Для организации работы программ так, чтобы ни один процессор из парыCPU+TMS не простаивал, необходимо учитывать: производительностьпроцессоров, решаемую вычислительную задачу и то, как программаразделяет ресурсы. Для этого можно определить те программные модули,которые будут выполняться только на одном процессоре, например, БПФ напроцессоре ЦОС, вывод на экран на CPU и т.д. Затем выделить программныемодули, которые могли бы выполняться на обоих процессорах, напримерпреобразование форматов, накопление результатов и в зависимости отвычислительной задачи и производительности процессоров активизироватьих на том процессоре, который менее загружен.

93

ЛИТЕРАТУРА

Сопряжение датчиков и устройств ввода данных с компьютерами IBM PC:Пер. с англ. / Под ред. У. Томпкинса, Дж. Уэбстера. – М.: Мир, 1992. – 592 с.

Дженнингс Ф. Практическая передача данных: Модемы, сети, протоколы:Пер. с англ. – М.: Мир, 1989. – 272 с.

Клингман Э. Проектирование микропроцессорных систем: Пер. с англ. –М.: Мир, 1990. – 576 с.

Модуль цифровой обработки сигналов DSP30: Руководствопрограммиста. – М.: “Инструментальные системы”, 1994. – 124 с.

Модуль аналогового ввода-вывода ADC12/200: Руководствопользователя. – М.: “Инструментальные системы”, 1993. – 55 с.

Операционная система D easy для процессорных модулей ЦОС на базеTMS320C3x. – М.: “Инструментальные системы”, 1994. – 146 с.

Крюков В.В. Цифровая обработка сигналов: Конспект лекций. –Владивосток: ВГУЭиС, 1998. – 140 с.

Применение цифровой обработки сигналов: Пер. с англ. / Под ред. Э.Оппенгейма. – М.: Мир, 1980. – 544 с.