Нефедов В.И. - Электрорадиоизмерения, страница 45

По существу, программное обеспечение ИИС представляет собой взаимодополняющую, взаимодействующую совокупность подпрограмм, реализующих:

• типовые алгоритмы эффективного представления и обработ­ки измерительной информации, планирования эксперимента и
  других измерительных процедур;

• метрологические функции комплекса (аттестацию, поверку,
  экспериментальное определение метрологических характеристик и т.п.);

• архивирование данных измерений.

Информационное обеспечение определяет способы и кон­кретные формы информационного отображения состояния объ­екта исследования в виде документов, диаграмм, графиков, сиг­налов для их представления обслуживающему персоналу и компьютеру для дальнейшего использования в управлении.

Всю измерительную систему в целом охватывает метрологи­ческое обеспечение (рис. 12.2).

Структура технической подсистемы ИИС состоит из следую­щих элементов:

• блока первичных измерительных преобразователей;

• средств вычислений электрических величин (измерительные компоненты);

• совокупности цифровых устройств и компьютерной техники
  (вычислительных компонентов);

• мер текущего времени и интервалов времени;

• устройств ввода-вывода аналоговых и цифровых сигналов с нормированными метрологическими характеристиками.

• блока вторичных измерительных преобразователей;

• совокупности элементов сравнения, мер и элементов описа­ния — норм;

• блока преобразователей сигнала, цифровых табло, дисплеев, элементов памяти и пр.;

• различных накопителей информации.

Кроме указанных, в систему может входить ряд устройств со­гласования со штатными системами объекта, с телеметрией и пр.

Важное значение имеет эргономическое, эффективное и на­глядное построение форм дисплея и управляющих элементов, называемых интерфейсом пользователя, обеспечивающих взаи­модействие оператора с компьютером. Эффективность интер­фейса заключается в быстром, насколько это возможно, развитии у пользователя простой концептуальной модели взаимодействия с ИИС. Другими важными характеристиками интерфейса пользо­вателя являются его наглядность и конкретность, что обеспечи­вают с помощью последовательно раскрываемых окон, раскры­вающихся вложенных меню и командных строк с указанием функциональных «горячих» клавиш.

В истории развития информационно-измерительных систем можно отметить ряд поколений.

Первое поколение характеризуется формированием концеп­ции ИИС и системной организацией совместной работы средств получения, обработки и передачи количественной информации. Это были в основном системы централизованного циклического получения измерительной информации с элементами вычисли­тельной техники. Данный период (конец 50-х —- начало 60-х го­дов прошлого столетия) называют периодом детерминизма, по­скольку для исследований в ИИС использовался аппарат аналитической математики.

Второе поколение связано с использованием адресного сбо­ра информации и ее обработки с помощью встроенных компью­теров. Элементную базу таких систем представляют микроэлек­тронные схемы малой и средней степени интеграции. Этот период (70-е годы прошлого века) характерен решением целого ряда вопросов теории систем в рамках теории случайных процес­сов и математической статистики, поэтому его принято называть периодом стохастичности.

Третье поколение отражается широким введением в инфор­мационно-измерительные системы БИС, микропроцессоров, микроЭВМ и промышленных функциональных блоков, совмес­тимых между собой по информационным, метрологическим, конструктивным, энергетическим и эксплуатационным характе­ристикам, а также созданием распределенных и адаптивных ИИС.

Четвертое поколение отличает появление гибких пере­страиваемых программируемых ИИС, что связано с развитием вычислительной техники. В элементной базе резко возрастает доля микросхем большой и сверхбольшой степени интеграции.

Пятое поколение бурно развивается, что обусловлено появ­лением адаптивных, интеллектуальных и виртуальных измери­тельных информационных систем, построенных на базе персо­нальных компьютеров и современного математического и программного обеспечения.

Измерительно-вычислительные комплексы

Важной разновидностью ИИС являются измерительно-вычислительные комплексы — функционально объединенная с помощью специальной многоканальной магистрали система (со­вокупность) средств измерений, вычислительной техники, уст­ройств отображения информации и вспомогательных устройств, предназначенная для выполнения конкретной измерительной за­дачи. Основными признаками принадлежности измерительной системы к ИВК служат: наличие компьютера; программного управления средствами измерений; нормированных метрологи­ческих характеристик; блочно-модульной структуры, состоящей из технической (аппаратной) и программной (алгоритмической) подсистем.

По назначению ИВК делят на типовые, проблемные и специализированные.

Типовые ИВК предназначены для решения широкого круга типовых задач автоматизации измерений, испытаний или иссле­дований независимо от области применения.

Проблемные ИВК разрабатывают для решения специфичной задачи в конкретной области автоматизации измерений.

Специализированные ИВК используют для решения уни­кальных задач автоматизации измерений, для которых разработка типовых и специализированных комплексов экономически неце­лесообразна.

Измерительно-вычислительные комплексы предназначены для следующих задач:

• осуществления прямых, косвенных, совместных или сово­купных методов измерений физических величин;

• представления оператору результатов измерений в требуемом
  виде и управления процессом измерений и воздействия на объект
  измерений.

Чтобы реализовать эти функции, ИВК должен:

• эффективно воспринимать, преобразовывать и обрабатывать
  электрические сигналы от первичных измерительных преобразователей, а также управлять средствами измерений и другими тех­ническими устройствами, входящими в его состав;

• вырабатывать нормированные сигналы, являющиеся вход­ными для средств воздействия на объект, оценивать метрологические характеристики и представлять результаты измерений в установленной форме.

12.4. Компьютерно-измерительные системы

В последние годы сформировалось совершенно новое на­правление в метрологии и измерительной технике — компьютер­но-измерительные системы, и их разновидность, или направле­ние развития — виртуальные (виртуальный - - кажущийся) измерительные приборы (проще, виртуальные приборы). Компь­ютерно-измерительная система обязательно включает в себя ком­пьютер, работающий в режиме реального масштаба времени или, как теперь принято говорить, в режиме on-line.

В настоящее время персональные компьютеры используют не только как вычислительные средства, но и как универсальные измерительные приборы. Компьютерно-измерительные системы на основе персонального компьютера заменяют стандартные из­мерительные приборы (вольтметры, осциллографы, анализаторы спектра, генераторы и пр.) системой виртуальных приборов. Причем ряд этих приборов может быть активизирован (воспроиз­веден) на одном персональном компьютере одновременно.

К отличительным особенностям КИС по сравнению с микро­процессорными приборами относятся:

• обширный фонд стандартных прикладных компьютерных
  программ, доступных для оператора, позволяющий решать ши­рокий круг прикладных задач измерений (исследование и обра­ботка сигналов, сбор данных с датчиков, управление различными
  промышленными установками и т.д.);

• возможность оперативной передачи данных исследований и
  измерений по локальным и глобальным компьютерным сетям
  (например, сети Internet);

• высокоразвитый графический интерфейс пользователя, обес­печивающий быстрое освоение взаимодействия с системой;

• возможность использования внутренней и внешней памяти
  большой емкости, а также составления компьютерных программ
  для решения конкретных измерительных задач;

• возможность оперативного использования различных уст­ройств документирования результатов измерений.

Архитектура построения КИС

Компьютерно-измерительную систему можно строить двумя способами: с последовательной или параллельной архитектурой.

В компьютерно-измерительных системах с последовательной архитектурой (ее иногда называют централизованной системой) части системы, преобразующие анализируемые сигналы, обрабатывают их в последовательном режиме. Поэтому всю соответствующую электронику размещают на слотах компьютера.

В компьютерно-измерительных системах с параллельной архитектурой содержится ряд парал­лельных каналов измерения, каждый из которых имеет собствен­ные узлы преобразования анализируемых сигналов и только про­цессор компьютера работает в режиме мультиплексирования (т.е. объединения сигналов). Подобный принцип построения КИС по­зволяет проводить оптимизацию обработки сигналов в каждом канале независимо. В такой системе преобразование сигналов можно выполнять локально в месте расположения источника ис­следуемого сигнала, что позволяет передавать сигналы от изме­ряемого объекта в цифровой форме.

Обобщенная структурная схема КИС, отражающая обе архи­тектуры построения, показана на рис. 12.3.

Взаимодействие между отдельными элементами КИС осуществляют с помощью внутренней шины компьютера, к которой подключены как его внешние устройства (дисплей,внешняя память, принтер, плоттер), так и измерительная схе­ма, состоящая из коммутатора, АЦП и блока образцовых про­граммно-управляемых мер напряжения и частоты. С помощью ЦАП можно вырабатывать управляющие аналоговые сигналы; интерфейсный модуль ИМ подключает измерительный прибор к магистрали приборного интерфейса. Коммутатор устройства обеспечивает подачу аналоговых напряжений с внешних датчи­ков на узлы системы. Достаточно простые узлы КИС можно раз­местить на одной плате персонального компьютера. Существуют и более сложные структуры КИС, в которых в соответствии с ре­шаемой измерительной задачей по установленной программе ме­няют архитектуру построения системы.

Одним из элементов КИС служит блок образцовых про­граммно-управляемых мер напряжения и частоты. В качестве встроенных образцовых мер напряжения в КИС используют ста­билитроны, температурный коэффициент напряжения которых составляет около 2,5 • 10~⁵. Наиболее эффективным способом ста­билизации опорного напряжения является термостатирование блока стабилитронов. Термостат поддерживает температуру эле­ментов около 30 °С со стабильностью не менее 0,1 °С. Недостат­ком такой схемы являются достаточно длительный прогрев тер­мостата (до 30 мин), а также большие скачки температуры при включении термостата. Температурные перепады ускоряют про­цесс старения стабилитронов, а следовательно, снижают их дол­говременную стабильность.

В настоящее время в КИС учитывают температурную неста­бильность элементов программными методами: в блок стабили­тронов вводят датчик температуры и экспериментально определя­ют зависимость опорного напряжения от температуры. Эту зависимость записывают в ПЗУ компьютера или во внешнюю па­мять. В процессе эксплуатации прибора температура стабилитро­нов автоматически измеряют и по этой зависимости вводят поправ­ку в значение уровня образцового напряжения. При работе без дополнительного подогрева значительно возрастает долговремен­ная стабильность стабилитронов.

Аналогично измеряют и учитывают нестабильность частоты кварцевого генератора — меры частоты: сигналы с датчика темпе­ратуры воздействуют на варикап, подстраивающий генератор на

номинальную частоту. Нестабильность частоты кварцевого генера­тора может быть снижена до 10~⁷. Кварцевый генератор можно ис­пользовать в качестве задающего, если в системе необходим син­тезатор частоты с дискретной сеткой частот.

В последних разработках КИС предусмотрена возможность определения индивидуальных функций влияния температуры на разные параметры прибора: дрейф нуля УПТ, коэффициенты пе­редачи различных структурных элементов. Непрерывный кон­троль температуры блоков позволяет автоматически корректиро­вать возникающие погрешности измерения.