Просмтор этого файла доступен только зарегистрированным пользователям. Но у нас супер быстрая регистрация: достаточно только электронной почты!

Текст из файла (страница 2)

По функциональному назначению различают следующие основные элементы компьютерных тренажеров:

• модель объекта управления;

• модель системы управления объектом, включая рабочее место обучаемого;

• модель рабочего места инструктора;

• учебно-методическое обеспечение тренажера.

В техническом задании на разработку модели объекта управления тренажера должны приводиться следующие данные:

• нормальные и аварийные режимы работы объекта моделирования;

• контролируемые параметры;

• перечни органов управления (кнопки, переключатели и пр.);

• технологические схемы и состава основного оборудования.

Рабочее место обучаемого оператора должно обеспечивать:

• реализацию как нормальных (штатных) режимов работы, пусковых (из всех состояний), регулировочных и остановочных, так и других (например, аварийных) состояний объектов;

• адекватность математического моделирования, связанная со всережимностью, полномасштабностью, сопряженностью и нормативной точностью.

Модель рабочего места инструктора должна обеспечивать следующие возможности.

Подготовки сценариев тренировок в виде:

• рабочего задания обучаемому на выполнение тренировки;

• задания аварийных ситуаций в работе технологического оборудования, систем автоматики, их комбинаций;

• задания исходного состояния объекта управления.

• изменения масштаба времени моделирования (ускорения, замедления, реального масштаба времени);

• останова процесса моделирования и возврата к исходному состоянию.

Возможность анализа результатов тренировки в виде:

• воспроизведения сценария тренировки;

• фиксации времени, затраченного на выполнение тренировочного задания (отдельных его этапов);

• фиксации количества и характера ошибок, допущенных обучаемыми в ходе тренировки;

• фиксации срабатывания защит и блокировок.

1.4 Развитие интерфейсов ПК

Разработанное аппаратное и программное обеспечение комплекса было выполнено с использование LPT, который в свою очередь морально устарел и уже не используется в проектировании большинства ПК.

Интерфейс использует адресацию относительно базового порта, стандартными значениями которого являются 3BCh, 378h и 278h, по этим адресам расположены регистры портов ввода/вывода. Порт может использовать линию запроса аппаратного прерывания, обычно IRQ7 или IRQ5. Порт имеет внешнюю 8-битную шину данных, 5-битную шину сигналов состояния и 4-битную шину управляющих сигналов. Есть три регистра имеющие названия: Data Register; Status Register; Control Register.

Data Register (DR) – регистр данных. Данные, записанные в этот порт, выводятся на линии интерфейса. Считанные данные из этого регистра. Если в порт записать байт с единицами во всех разрядах, а на выходные линии интерфейса через микросхемы с выходом типа «открытый коллектор» подать какой-либо код (или соединить ключами какие-то линии со схемной землей), то этот код может быть считан из того же регистра данных. Таким образом, на многих старых моделях адаптеров можно реализовать порт ввода дискретных сигналов, однако выходным цепям передатчика информации придется «бороться» с выходным током логической единицы выходных буферов адаптера. Схемотехника ТТЛ такие решения строго не запрещает, но если внешнее устройство выполнено на микросхемах КМОП, их мощности может и не хватить для уверенной «победы» в этом шинном конфликте. Однако современные адаптеры часто имеют в выходной цепи согласующий резистор с сопротивлением до 50 Ом. Выходной ток короткого замыкания выхода на землю обычно ограничен передатчиком на уровне около 30 мА. Простой расчет показывает, что в случае даже короткого замыкания контакта разъема на землю при выводе «единицы» на этом резисторе падает напряжение 1,5 В, что входной схемой приемника будет воспринято как та же «единица». Так что такой способ ввода не будет работать на всех компьютерах со стандартными портами.

Status Register (SR) – регистр состояния, представляющий собой 5-битный порт ввода сигналов состояния принтера.

Control Register (CR) – регистр управления. Как и регистр данных, этот 4-битный порт вывода допускает запись и чтение

Кроме стандартного режима однонаправленной передачи данных, LPT-порт поддерживает работу в еще четырех режимах (настройка режима работы производится в BIOS):

- Полубайтный режим (Nibble Mode) – ввод байта в два цикла (по 4 бита), используя для приема линии состояния. Этот режим обмена подходит для любых адаптеров, поскольку задействует только возможности стандартного порта.

- Байтный режим (Byte Mode) – ввод байта целиком, используя для приема линии данных.

- Режим ЕРР (ЕРР Mode) – двунаправленный обмен данными (ЕРР означает Enhanced Parallel Port). Управляющие сигналы интерфейса генерируются аппаратно во время цикла обращения к порту.

- Режим ЕСР (ЕСР Mode) – двунаправленный обмен данными с возможностью аппаратного сжатия данных по методу RLE (Run Length Encoding) и использования FIFO-буферов и DMA (ЕСР означает Extended Capability Port). Управляющие сигналы интерфейса генерируются аппаратно.

1.5 Проблемы, связанные с LPT интерфейсом

Создание полноценного приложения для Windows, использующего все возможности любой системы сбора информации и управления, – довольно сложная задача. В то же время возможно написание каких-то небольших приложений или подпрограмм на языке низкого уровня.

Однако создание программы для Windows лучше выполнять на языках высокого уровня с применением средств разработки приложений. Кроме того, при прямом низкоуровневом управлении устройствами с использованием инструкций (например, IN и OUT), которые позволяют читать или писать в порт в/в или обращаться к системной области памяти в приложении Windows XP, появится сообщение об исключении в связи с привилегированной.

Архитектура NT требует, чтобы доступ ко всем устройствам происходил через kernel-mode драйверы устройств – специальные, доверенные куски кода, которые практически становятся частью операционной системы после того, как были загружены. Эти драйверы устройств имеют полный доступ ко всей памяти системы, всем аппаратным устройствам и всем привилегированным инструкциям процессора. С другой стороны, приложения, запущенные в режиме пользователя, имеют ограниченный доступ к памяти, поэтому процессор не может исполнить определенные привилегированные инструкции. Ограничение доступа к портам, с одной стороны, делает NT исключительно стабильной. Часто программы могут сбоить, их могут отлаживать весь день, не вызывая сбоев в NT. Несколько приложений могут работать без возможности враждебно воздействовать друг на друга. С другой стороны, ограничения мешают взаимодействовать с аппаратным обеспечением быстро и напрямую, без потери относительно большого количества времени для вызова драйвера устройства. Когда бы ни понадобилось вам обращаться к драйверу устройства, вы должны послать запрос через подсистему NT. Это может потребовать тысячи тактов процессора. Простая инструкция ввода-вывода заняла бы около 30 тактов.

Правильный путь решения проблемы управления вводом-выводом микропроцессорных устройств управления с целью обеспечения их полного и безопасного функционирования – это изучение WDM (Windows Driver Model) и написание собственного драйвера.

Однако программировать под Windows в режиме ядра или правильно общаться с устройствами PnP (Plug and Play) и управлением питанием – задача крайне сложная и может быть доступна профессионалам только с хорошим опытом.

Новые, более мощные, технологии избавили пользователей от необходимости следить за вводом-выводом, памятью и использованием запросов на прерывания. Инфраструктуру для устройств, работающих в операционных системах Windows XP/Vista/7, обеспечивает WDM. Программы работают либо в пользовательском режиме, либо в режиме ядра. Когда программе требуется прочитать данные с устройства, она вызывает функцию API (Application Programming Interface). Многие из таких функций работают в режиме ядра и обслуживают запросы приложений на обращение к устройству. Все функции проверяют свои параметры, предотвращая возможные дефекты безопасности при выполнении операций или при обращении к данным, недоступным для программ пользовательского режима. После этого они создают структуру данных, называемую пакетом запроса ввода-вывода, и передают ее соответствующему драйверу устройства с указанием константы, определяемой в заголовочном файле.

Для некоторых устройств писать драйверы вообще не нужно, потому что Microsoft поставляет обобщенный драйвер, работающий с типовым устройством: стандартные параллельные или последовательные порты; устройства, подключенные к USB; клавиатуры; мыши и т. д.

Сложности подключения устройств, которые были разработаны для реального режима к компьютерам с установленными современными операционными системами, связаны с их нестандартностью, спецификой работы, встроенными в поддерживаемое программное обеспечение функциями ввода-вывода. В ряде случаев проблем можно избежать, не изменяя конструкцию устройства, а прибегнув, например, к функциям низкоуровневого API.

Еще одна трудность обусловлена тем, что под периферийное оборудование с LPT интерфейсом отсутствует собственно интерфейс в компьютере.

Следует отметить, что ранние попытки создать работоспособное устройство, связывающее микропроцессор с компьютером, у многих разработчиков окончились неудачей. Это связано со сложностью USB как со стороны аппаратных решений, так и со стороны математического обеспечения. В поддержку использования USB против других интерфейсов следует отметить, что именно USB получил широкое распространение на современных ПК и имеет отличную возможность работать по USB с проектируемым УСО как с HID-устройством. Отличительной особенностью USB является поддержка режима Plug and Play. Вышеуказанные преимущества не потребует написания отдельных драйверов и упростят инсталляцию ПО учебного тренажера на новые, современные компьютеры.

1.6 Использование HID интерфейса

USB HID (human interface device) class — класс устройств USB для взаимодействия с человеком. Этот класс включает в себя такие устройства как клавиатура, мышь, игровой контроллер. Класс USB HID определен в нескольких документах, предоставляемых USB Implementers Forum, в частности, Рабочей группой по работе с устройствами.

Класс USB HID описывает устройства, которые используются практически в каждом современном компьютере. В нём существует множество предопределённых функций. Они позволяют производителям аппаратного обеспечения разрабатывать продукты, соответствующие спецификации USB HID, и ожидать, что они будут работать с любым программным обеспечением, которое так же поддерживает эти спецификации [4].

Помимо детальных спецификаций классических устройств ввода стандарт HID определяет особый класс устройств без детальных спецификаций. Этот класс именуется USB HID Consumer Control и представляет по сути нерегламентированный канал связи с устройством. При этом устройство пользуется теми же стандартными для операционной системы драйверами что и мышка с клавиатурой. Таким образом можно создать USB устройство которое не требует создания и инсталляции специальных драйверов в большинстве распространенных компьютерных операционных систем.

Этим стали массово пользоваться, и появилось огромное количество устройств, которые, по сути, интерфейсами взаимодействия с человеком не являются. Например, телефонное устройство, термометр, устройство управления аудио и медицинское оборудование. Даже ИБП (источники бесперебойного питания) определяют себя, как принадлежащие классу USB HID, несмотря на то, что они часто не имеют человеческого интерфейса вообще. Любое устройство может принадлежать к USB HID классу, если оно удовлетворяет логическим спецификациям HID Consumer Control.

Одно из преимуществ хорошо определенной спецификации, такой, как USB HID — это обилие драйверов устройств, доступных в большинстве современных операционных систем. USB HID класс и его базовые функции описаны в USB-IF документации, без какой-либо привязки к конкретному программному обеспечению. Из-за таких общих описаний разработчикам операционных систем легко включить функциональные драйверы для таких устройств как клавиатура, мышь и другие устройства взаимодействия с пользователем. Включение основных драйверов способствует более быстрому распространению этих устройств и упрощению установки конечными пользователями.

В рамках проекта будет сделан акцент именно на USB HID. Это обусловлено тем, что пульт-табло дежурного по железнодорожной станции особой разницы с, например, классической клавиатурой, не имеет. Проектируемое USB HID устройство не потребует написания отдельного драйвера, потому что все необходимое уже встроено в операционную систему Windows всех версий. Такой подход позволит снять ряд ограничений и требований к ПК, обеспечивающему все логические операции в процессе работы тренажера.

2 Техническая часть

2.1 Разработка общей концепции разрабатываемого устройства

2.1.1 Характеристика тренажёрного комплекса

Железнодорожный транспорт, как и любое современное производство, даже при наличии большого количества автоматики невозможно эксплуатировать без наличия персонала по обеспечению производства.

Для практических занятий на кафедре «ОПиБТ» используется лабораторный комплекс представляющий собой тренажёры ДСП и ДНЦ. На момент организации лаборатории в её состав входили 8 виртуальных станций, объединенных в 3 круга диспетчерской централизации (ДЦ). Каждая станция представляла собой ПК на базе процессора Pentium 200 с установленным программным обеспечением тренажера и пульт-табло блочно-маршрутной релейной централизации (БМРЦ) для питания которого служили 2 блока питания на 5 В и 24 В. Все 8 ПК объединены в локально вычислительную сеть (ЛВС) топологии звезда с выделенным сервером под управлением системы управления базами данных (СУБД) InterBase. На сервере находится база данных полигона, обеспечивающая взаимодействие всех станций.

Во время обучения студенты располагаются в отдельных помещениях. Выступая в роли ДСП им необходимо решать задачи, поставляемые учителем через программное обеспечения пульта преподавателя. Основной задачей учащихся является исполнения графика движения поездов. На АРМ преподавателя возможен контроль над выполнением поставленных ситуаций и управление работой и параметрами симулятора.

2.1.1.1 Структура локальной вычислительной сети и электропитания лаборатории

Для полноценной работы учебного комплекса используется ЛВС топологии звезда. Центр сети находится в 7 помещении 222 аудитории и представляет собой концентратор низкого уровня. Прокладка кабеля проходит вдоль всего помещения лекционной аудитории (рисунок 2.1).

Характеристики

Список файлов ВКР