Типы интерфейсов измерительных систем
Характеристика последовательных и параллельно-последовательных интерфейсов измерительных систем. Приведение примеров их одноступенчатых, двухступенчатых и трехступенчатых структур. Описание процесса обмена информацией между функциональными блоками.
| Рубрика | Программирование, компьютеры и кибернетика |
| Вид | контрольная работа |
| Язык | русский |
| Дата добавления | 13.10.2015 |
| Размер файла | 805,2 K |
Отправить свою хорошую работу в базу знаний просто. Используйте форму, расположенную ниже
Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.
Размещено на http://www.allbest.ru/
1. Типы интерфейсов измерительных систем
По принципу обмена информацией интерфейсы делятся на:
2. Структуры интерфейсов измерительных систем
В настоящее время используются следующие структуры интерфейсов: одноступенчатые, двухступенчатые и трехступенчатые возможными вариантами исполнения: цепочечная, радиальная, магистральная, радиально-магистральная, каждая из которых может быть с централизованным или децентрализованным управлением (рис. 1).
Рис. 1. Основные структуры интерфейсов:
Обмен информацией может быть осуществлен синхронным и асинхронным методами.
Синхронный метод передачи и приема сигналов производится в фиксированные моменты времени. Темп обмена информацией при асинхронном методе определяется сигналом квитирования. Этот метод особенно эффективен при обмене информацией с различным быстродействием функциональных блоков.
В ИИС используются следующие основные интерфейсы: КОП КАМАК, PDP-11, (общая шина), RS-232C, RS-422, RS-423, RS-485, а также системные интерфейсы 8, 16, 32-разрядных микро ЭВМ.
Приборный интерфейс предназначен для взаимодействия программируемых и непрограммируемых приборов и построения на их основе измерительных информационных систем. Соединение приборов осуществляется через многопроходный магистральный канал общего пользования (КОП, зарубежный аналог IEEE-488′ длиной не более 20 м. Число приборов, подключаемых к магистрали, не должно превышать 15. Обмен информацией между приборами происходит под управлением контроллера. Всего регламентируется 10 интерфейсных функций. Каждая функция позволяет прибору выполнять прием, передачу и определенную обработку сообщений. Функции могут быть реализованы как аппаратно, так и программно. Приборный интерфейс представлен на рис. 2.
Рис. 2. Приборный интерфейс:
Интерфейс КАМАК. Он применяется для разветвленных систем сбора информации с большим числом первичных преобразователей и предоставляет возможность построения ИИС с двумя уровнями централизации.
Основными конструктивными элементами являются крейт модуль, стойка.
Крейт (каркас) имеет 25 станций (ячеек), в которые вставляются модули (вставные кассеты). Из них 23 станции рабочие, они служат для включения модулей, 24-я и 25-я станции отводятся для контроллера крейта (КК).
Функциональные блоки (ФБ) могут занимать произвольное расположение, так как адрес каждому ФБ присваивается после его установки в крейт.
Структурная схема системы в стандарте КАМАК представлена на рис. 3.
Рис. 3. Структурная схема системы в стандарте КАМАК
Одно крейтовые системы двухуровневые.
Для защиты от помех используются экранирование, заземление, согласование характеристик линий связи, а также контроль по четности и повторение передачи кодов.
Последовательные интерфейсы периферийных устройств. Ими могут служить интерфейсы RS-232C, RS-423, RS-422, RS- 485. Основные параметры этих интерфейсов представлены в табл.1. В основе интерфейсов RS-232C, RS-422 лежит однопроводная несогласованная линия (рис. 4),
Рис. 4. Схемы однопроводной несогласованной (а) и симметричных дифференциальных последовательных линий связи с симплексным (б) и полудуплексным (в) режимами передачи информации по которой информация передается двуполярными посылками со скоростью до 20 Кбод (RS-232C) и 300 Кбод (RS-423) при длине линии не более 15 и 600 м соответственно.
В однопроводной линии для передачи сигнала используется один провод, напряжение на котором сравнивается в приемнике с напряжением линии «Общая земля», общей для всех прочих сигнальных проводников. Этот способ построения линии наиболее прост, но имеет существенный недостаток: на информационный сигнал накладываются помехи в линии. Так как помехи в линии пропорциональны длине линии связи и ширине полосы рабочих частот, то в интерфейсах RS-232C и RS-423 наложены ограничения на оба параметра (см. табл.1).
Интерфейс RS-422 распространяется на симметричные дифференциальные линии (витая пара, радиочастотный кабель), обладающие более высокими характеристиками, чем однопроводные линии. В частности, по линии интерфейса RS-422 возможна передача информации со скоростью до 100 Кбод на расстояние до 1200 м и со скоростью 10 Мбод на расстояние до 12 м. Дифференциальный режим (рис.4, б) достигается применением дифференциального передатчика, согласованной линии связи (в виде витой пары или радиочастотного кабеля) и дифференциального приемника. Сигнал передатчика появляется на входе приемника в виде разностного напряжения, тогда как помехи в линии остаются синфазными. Благодаря этому дифференциальный приемник с достаточным диапазоном подавления синфазной составляющей может отличать сигнал от помехи. К тому же интерфейс RS-422 позволяет наряду с симплексным режимом передачи (см. рис. 4, б) организовать полудуплексный режим передачи (рис. 4, в) и мультиплексный режим последовательной передачи информации.
В последнем случае, применяемом для связи между периферийными устройствами микропроцессорных систем, для передачи информации в одном направлении используются две дифференциальные симметричные линии связи, например витые пары. В исходящем направлении включены один передатчик и п приемников. Такой режим позволяет обслуживать до 12 абонентов. Основные трудности заключаются в обеспечении хорошего заземления системы.
Интерфейс «Общая шина». Он разработан для связи центрального процессора семейства IBM, где используется магистральная система шин с раздельными объединенными шинами для адресных сигналов и данных, а также с отдельной шиной для сигналов управления (рис. 5).
Рис. 5. Структурная схема интерфейса «Общая шина»
параллельный последовательный измерительный интерфейс
К каналу обмена информацией между отдельными функциональными блоками ЭВМ можно подключать дополнительные блоки памяти и различные устройства ввода-вывода. Такое расширение возможностей ЭВМ позволяет использовать его в ИИС, АСУТП и строить на ее базе ИВК.
Обмен информацией между функциональными блоками происходит асинхронно по каналу, который представляет собой магистраль, состоящую из 38 линий.
Размещено на Allbest.ru
Подобные документы
Методика автоматизированного логико-вероятностного расчета надежности для различных параллельно-последовательных структур. Определение вероятности безотказной работы. Структурная и эквивалентная схемы определения надежности сложной системы управления.
лабораторная работа [116,1 K], добавлен 04.11.2015
Применение и развитие измерительной техники. Сущность, значение и классификация информационных измерительных систем, их функции и признаки. Характеристика общих принципов их построения и использования. Основные этапы создания измерительных систем.
реферат [25,9 K], добавлен 19.02.2011
Определение структуры информационно-измерительных систем и устройств сопряжения с ЭВМ. Расчет метрологических характеристик измерительных каналов. Протокол измерений значений функции преобразования ИК ИИС. Продолжительность межповерочных интервалов.
курсовая работа [171,4 K], добавлен 22.03.2015
Характеристики интерфейсов информационного взаимодействия компьютерных иерархических систем. Принцип «обратной связи». Свойства, простота и правила создания программно-аппаратных интерфейсов. Новые направления в проектировании компьютерных систем.
курсовая работа [112,7 K], добавлен 05.01.2017
Изучение системной поддержки, применения, конфигурирования параллельного (LPT) и последовательного (СОМ) интерфейсов ввода-вывода компьютерных систем, проведение их технической диагностики, устранение неисправностей. Разработка собственных устройств USB.
дипломная работа [7,3 M], добавлен 10.07.2010
Разработка городских систем на базе мобильных интерфейсов. Методики геокодирования в информационных системах, ориентированных на определенную группу пользователей. Прототипная реализация туристической карты для мобильных устройств на платформе Android.
дипломная работа [4,3 M], добавлен 05.12.2013
Сущность и предназначение последовательных интерфейсов. Формат асинхронной и синхронной посылки. Функциональные возможности и схема соединения по интерфейсу RS-232C. Назначение сигналов интерфейса. Понятие, конфигурирование и использование СОМ-портов.
контрольная работа [175,2 K], добавлен 09.11.2010
Мультиплексная архитектура построения измерительных модулей предполагает что
7.3. Цифро-аналоговые преобразователи.
7. Контрольное оборудование:
8.1. Индикатор магистрали.
Модуль представляет собой вставную кассету. Тыльная часть модуля заканчивается 86-контактным разъемом, соединенным с горизонтальной магистралью крейта. Входные аналоговые сигналы вводятся через разъемы на передней панели модулей. Допустимый ток питания отдельного модуля ограничен 2А, а рассеиваемая мощность 8 Вт. Максимальная мощность рассеивания в крейте 200 Вт. Охлаждение воздушное. Обмен информацией между модулями и контроллером происходит по магистрали крейта. Предельная пропускная способность магистрали КАМАК 3 мегабайта/с. Электрические сигналы на шине КАМАК соответствуют отрицательной TTL логике. В интерфейсе КАМАК разделены шины передачи данных, адресов и команд. Магистраль крейта имеет 7 шин: адреса, операций, состояний, синхронизации, данных, управления и нестандартных соединений. Система шин крейта содержит 82 магистральные линии сигналов, проходящих через все стадии и 2 индивидуальных (радиальных) линии, идущих от контроллера крейта к каждому модулю. Таким образом, в крейте используется смешанная (радиально-магистральная) система шин. Шина адреса она состоит из 24 индивидуальных линий номера состояния N и 4 сквозных линий субадреса А, обозначаемых А1, А2, А4, А8. Обычно для адресации используется позиционный двоичный код (двоичный номер объекта), однако в интерфейс КАМАК применяется кодирование, при котором каждому устройству выделяется отдельная линия адреса.
Одного крейта с 23 модулями станциями, как правило, недостаточно для автоматизации серьезного эксперимента. Это обстоятельство побудило разработчиков организовать в системе второй уровень централизации управления обменом информации, который носит название ветви (Grauch) или вертикальной магистрали. Магистраль ветви может объединять до 7 крейтов, которые обычно располагаются в одной стойке (см. рис.1). Таким образом, стойка представляет собой измерительную систему, организованную на базе единой вертикальной магистрали КАМАК, связывающей все крейты между собой. Связь с компьютером идет через один из контроллеров.
Магистральный интерфейс VXI
В настоящее время интерфейс VXI считается наиболее перспективным для создания контрольно-диагностичес ких и высокопрецизионных измери тельно-управляющих систем и комплексов самого различного назначения.
Он имеет на западном рынке наибольшую динамику роста выпускаемой и реализуемой продукции, устойчивую те нденцию к техническому совершен ствованию и расширению областей применения.
Большинство ведущих приборостроительных фирм реализуют свою продукцию в стандарте VXI, рассматрив ая его основой построения совре менных приборов и аналитического оборудования. Применение магистраль но-модульного интерфейса (ММИ) дало возможность производителям изме рительной аппаратуры повысить конкурентоспособность своей продукции и наряду с высокой точностью обеспечить ее высокой производительностью.
Стандарт VXI, обобщил в себе опыт, накопленный при разработке и эксплуатации популярных ММС 7080-х го дов ХХ века, и дал им новое тех нологическое направление обеспечение максимальной «дружественности» для пользователей и полной независимост и их от конкретного производите ля. Стандарт занял на рынке устойчивое положение в определенных прило жениях и прошел этапы внедрения от военных отраслей до гражданского применения. Первые примеры успешного внедрения VXI-технологий в Рос сии показывают, что в ряде случаев альтернативы для них в настоящее время нет. Опыт применения VXI показал, что эту технологию легко осваивают отечественные специалисты и быстро находят им прикладные приложения, не имеющие аналогов в мировой практике.
В рамках стандарта на шину VXIbus разработчикам удалось совместить преимущества двух подходов к построени ю измерительных систем, конкури ровавших между собой в 1980-е годы: н а базе ММИ и на основе приборно стоечного исполнения. Основные очевидные преимущества систем на базе ММИ:
К достоинствам элементов приборно-стоечных систем можно отнести:
Создатели VXIbus не стали разрабатывать новый стандарт с нуля, а объединили имеющиеся стандарт ы-лидеры: VME (для магистрально модульных систем) и GP-IB/ IEEE-488 (для приборно-стоечных систем). Для расширения функциональных возможностей и повышения технических характе ристик шины VMEbus, а также в целях дальнейшего развития стандарта в VXI были введены следующие дополнительные требования:
Расширение VXI ключает в себя также использование дополнительных типоразмеров плат в стандарте «Евромеханика» и применение увеличенного шага межмодульных соединений в размер ах крейта С и D. Увеличение раз меров используемых плат обусловливает ся необходимостью применения од ноплатной технологии для модулей повы шенной чувствительности (до еди ниц нановольт), для высокоскоростных регистраторов и осциллографов (до десятков гигагерц), а также для многоканальных (более 100) измерительных коммутаторов.
Все модули размера А и большинств о модулей размера В конструктив но, электрически и логически совместимы со стандартом VMEbus и могут использоваться в VME-системах. В то же время все модули VME могут быть использованы в VXI-системах, однако в этом случае они должны быть под держаны стандартными для VXI программными драйверами.
Архитектура VMEbus, известна высокими скоростями передачи данных (40 Мбайт/с), которые наряду с необ ходимыми протоколами связи дела ют ее идеальной для построения измерительных систем с высокой пропуск ной способностью. VXIbus объединила пр остоту использования интеллекту альных GPIB-инструментов (например, программирование на ASCII уровне) в своих устройствах «на основе сообщени й» и преимущества высокой пропу скной способности VME-устройств, которые управляются и обмениваются данными непосредственно в двоичном ко де (устройства на основе регист ров). Хотя VME и является прекрасной компьютерной основой, однако она не подходит для измерительных задач без дальнейшей стандартизации.
VXIbus-консорциум расширил ст андарт VMEbus дальнейшим опреде лением параметров с тем, чтобы дать по льзователям возможность с легко стью конфигурировать рабочую систему. Некоторые из расширений VMEbus:
Система или подсистема на основе VXIbus состоит из VXI-крейта, VXI-приборов, VXI-модуля слота-0, VXI-менеджера ресурсов и хост-контроллера. Модуль слота-0 заботится об управлении объединительной платы и включает такие ресурсы, как син хронизация и наблюдение за пере мещением данных через объединительную плату. Устанавливаемый в 0 слот модуль должен помимо функций обычног о модуля выполнять еще и описан ные аппаратные функции. Менеджер ресурсов конфигурирует модули для работы при включении или сбросе систем ы, позволяя пользователям разра батывать программное обеспечение систем с известной начальной позиции. С момента вхождения системы в режим нормального функционирования ме неджер ресурсов перестает участвовать в ее работе. Крейт VXIbus служит для установки в него VXIbus инструментов и осуществляет запитывание и охлаждение этих инструментов и объедин ительной платы. VXIbus не разра батывался как замена какого-либо существующего стандарта, а создавался как дополнительное средство для примене ния в тестовых системах и систе мах сбора информации. Для этого были определены несколько способов взаимосвязи с VXI, что позволило интегрировать решения на базе VXIbus с решениями на основе VMEbus, GPIB или и спользовать в качестве самостоя тельных портативных систем.
Типовые размеры крейтов и модулей. Спецификация VXIbus определя ет 4 типоразмера модулей. Два меньших ра змера (А и В) являются стандарт ными размерами VMEbus и во всех смыслах представляют собой настоящие VME-модули. Два больших типоразмера ( С и D) предназначены для высоко производительных устройств. Увеличенное полезное пространство в модулях C и D размера позволяет полностью экранировать наиболее чувствительные части схемы для высокоточных измерений.
На сегодняшний день размер С приобрел наибольшую популярность, поскольку позволяет создавать системы меньшего, чем D, размера и при этом дает возможность использовать преимущества VXI (модули A и B размеров являются VMEbus-приборами). Единст венное существующее на сегодняш ний день применение модулей размера D это использование в крупных тес товых системах инструментов или пользовательских схем, разработанных в формате D, исходя из внутренних соображений. Решения В размера также существуют, но представляют собой пр еимущественно VME или малопроиз водительные инструменты и не используют возможностей VXI-стандарта. До 90 % всех представленных на рынке VXI-приборов это приборы С размера.
Контактные разъемы и локальная шина. Наряду с аналоговой сумми рующей шиной и линиями локальной ш ины для непосредственной взаимо связи модульмодуль к существующим сигналам VMEbus были добавлены дополнительные напряжения питания, не обходимые для запитывания анало говых и ECL-схем и измерительных шин и синхронизации и переключения измерений.
В VXI определены три 96-контактных DIN-разъема P1, P2, и P3. Разъем P1, единственный основной разъем в VME или VXIbus, содержит шину передачи данных (до 24 бит адре са и 16 бит данных), шину преры ваний и некоторые линии питания.
Опциональный разъем P2, имеющийся на платах всех размеров кроме А, расширяет шину передачи данных до ее полных 32 бит. Также н а нем до бавлено четыре дополнительных питающих напряжения, локальная шина, шина идентификации модуля (позволяет определять номер слота, в котором установлен модуль) и аналоговая сумм ирующая линия (токовая суммирую щая линия, проходящая вдоль всей объединительной платы). Также на этом разъеме имеются TTL и ECL триггерные шины (проходящие через объедини тельную плату с четырьмя определенными протоколами переключения) и 10 МГц дифференциальный ECL синхросигнал (буферизирован для каждого слота).
Опциональный разъем Р3, имеющийся только на платах размера D, расширяет ресурсы разъема 2 для специализированных приложений. Он обеспечивает 24 дополнительных линии локальной шины, дополнительные триггерные ECL-линии и 100 МГц синхро- и триггерные линии типа «звезда» для точной синхронизации. Применяется редко.
Локальная шина дополняет измерительные системы на основе VXIbus значительными возможностями. Это очень гибкая последовательная шинная структура. Каждый слот VXIbus-крейта содержит ряд очень коротких, 50-омных линий передачи, проходящих между соседними слотами с обеих сторон. Локальная шина содержит по 12 л иний в каждом направлении в кон некторе Р2 и 24 дополнительных линии в к оннекторе Р3. Эта шина обеспечи вает непосредственную связь между собой соседних модулей.
Устройства на базе регистров. VXI-устройство на базе регистров это простейшее устройство, чаще всего используемое в качестве основы для простых модулей. Связь с устройствами на базе регистров осуществляется исключительно путем записи-чтения регистров. Конфигурация управляется назначенными VXIbus конфигурационны ми элементами, но программирует ся через модулезависимые регистры.
Устройства на базе сообщений. Устройства на базе сообщений, как правил, являются наиболее интеллектуальными устройствами VXI-системы. Высокопроизводительные модули обычно являются именно устройствами на базе сообщений. Кроме основных конфи гурационных регистров, поддержи ваемых устройствами на базе регистров, ус тройства на базе сообщений обла дают общими коммуникационными элементами и поддерживают Word Serial Protocol для обеспечения связи на ASCII-уровне с другими устройствами на базе сообщений. Это облегчает поддержку различных производителей, но при этом теряется скорость из-за необходимости интерпретировать ASCII-сообщения. Обычно устройства на базе сообщений используют процессор и более дороги, нежели устройства на базе регистров. Поскольку Word Serial Protocol разрешает передачу всего одного ба йта за транзакцию, который за тем еще должен быть интерпретирован встроенным микропроцессором, то устройства на базе сообщений обычно ограничены скоростями на уровне IEEE-488. Однако наличие опционального доступа через регистры позволяет преодолеть это ограничение, оставляя при э том возможность простой конфигу рации устройства через Word serial protocol.
Технические средства VXI типы модулей.
Крейты и источники питания. Большинство фирм-изготовителей VXI- продукции выпускает крейты (mainframes) с установленными источниками питания. Раздельно крейты и блоки питания, как правило, не поставляются.
Это объясняется весьма сложными испытаниями крейтов, проводимыми в хорошо оснащенных лабораториях. Они включают в себя не только контроль удельной мощности (на каждый модуль) при изменении нагрузки, но и контроль режимов охлаждения при полном и частичном заполнении крейта различными модулями.
В VXI-стандарте используются четыре типоразмера плат (А, В, С, D), соответственно существуют и различные размеры крейтов. Для обеспечения конструктивной совместимости снизу вв ерх имеются специальные переход ные адаптеры, позволяющие вставлять и использовать модули меньших раз меров в крейтах большего габарита. Так модули размера А могут быть использованы в крейтах всех размеров, модули размера В в крейтах размеров В, С, D и т. д. Крейты отличаются не тол ько основным размером устанавли ваемых плат, но и числом посадочных мест (slot) на магистрали (backplanes).
Из большого числа имеющихся на рынке различных вариантов кр ейтов наи более часто употребляемые: размер В на 5, 7, 12 и 20 посадочных мест; раз мер С на 5, 6 и 13 посадочных мест; размер D на 5 и 13 посадочных мест. Не которые крейты выпускаются в переносн ом варианте с возможностью пита ния от аккумуляторной батареи.
Мощность используемых источников питания определяется основным размером устанавливаемых в крейте плат и числом посадочных мест из рас чета максимального энергопотребления, указанного в паспорте на каждый модуль VXI. Характерная мощность источников для крейтов размера В от 120 W до 570 W, размера С от 350 W до 800 W. размера D от 1000 W до 1300 W.
Возможные варианты реализации встроенных компьютеров приведены в разделе базовых конфигураций. Командные модули и встроенные компьютеры размещаются в крейте в левой позиции (слот 0) и в зависимости от конфигурации занимают от одного до трех посадочных мест. Так например, РС совместимый компьютер фирмы National Instruments серии 599 реализован на процессоре i486DX4, 100MHz, имеет ОЗУ до 16 МВ, встроенный НЖМД до 240 МВ, НГМД 3,5″, а также стандартные внешние интерфейсы (последовательный, параллельный, GP-IB, SCSI, SVGA интерфейс), компьютер занимает в крейте размера С два посадочных места. Командные модули занимают одно (для размеров C, D) или два (для размера В) посадочных места. Командный модуль определяет тип интерфейса связи с внешним компьютером: последовательный, GP-IB, VXLink или MXI. Например, командный модуль фирмы Hewlett-Packard HP Е1306А для крейта размера В имеет встроенный процессор М68000, 8 MHz, статическое ОЗУ до 2 МВ и интерфейсы связи RS-232 и GP-IB.
К системным модулям могут быть о тнесены также модули памяти, та кие как HP E1562B модуль НЖМД со встроенными накопителями 2×2,1 GB (2,5 MB/sec) и двумя портами SCSI-2 для внешних накопителей со скоростью обмена 16MB/sec или HP Е1488А модуль статического ОЗУ от 2 до 16 MB с выходом на локальную шину, по который он может использоваться в качестве расширяемой памяти для быстрых аналоговых регистраторов, цифровых осциллографов или сигнальных процессоров, реализованных в стандарте VXI. Подобные модули могут быть реализованы в размерах С или D и занимают в крейте одно или два посадочных места.
Функциональные модули. Состав функциональных модулей определяет прикладное (функциональное) назначение системы, а также ее технические возможности. Широкий спектр выпускаемых функциональных модулей в стандарте VXI позволяет разбить их на несколько типовых групп.
Измерительные модули. Цифровые мультиметры наиболее точные и универсальные средства измерений интегрирующего типа предназначены для измерения напряжения постоянного и переменного токов, а также сопротивлений со средней погрешностью 0,2 %. Мультиметры имеют, как правило, несколько диапазонов измерений, например: 30 mV, 300 mV, 3 V, 30 V, 300 V (для напряжений) и от 3 W до 3 GW. При этом максимально достижимая чувствительность по напряжению (на минимальном диапазоне) равна 10 nV и по сопротивлению 10 mW. В мультиметрах имеется возможность проводить измерения по 2-, 3- и 4-проводным линиям. Мультиметры оснащены обычно режекторными фильтрами на стандартных промышленных частотах 50 Hz, 60 Hz и 400 Hz, а также аппаратно-программными средствами температурной компенсации, автокалибровки и самотестирования. Установка режима и диапазонов измерения осуществляется программно и может оперативно меняться для каждого последующего измерения. Скорость измерений у этих приборов зависит от программно-устанавливаемого времени интегрирования и определяет эффективную разрядность АЦП. Так например, в модуле НР Е1401А полная разрядная сетка АЦП (6,5 десятичных знака) может использоваться при установке времени интегрирования не менее 16,7 ms; минимальное время преобразования (10 ms) соответствует разрядной сетке АЦП 3,5 десятичных знака. Для обеспечения многоканальных измерений с мультиметрами используются внешние специализированные измерительные мультиплексоры, о которых будет сказано ниже. Мультиметры реализуются в модулях размеров B, C, D и занимают, как правило, одно посадочное место.
Аналого-цифровые преобразователи. Использование увеличенного размера плат позволяет реализовать в стандарте VXI, в отличие от VME, многоканальные (от 4 до 64 встроенных каналов) АЦП с достаточно высокими разрешением (16 бит) и скоростью преобразования до 400 kHz, а также с индивидуально программируемыми встроенными усилителями и фильтрами ( модули фирм ANALOGIC DBS 8700,8701 и Hewlett-Pakcard НР Е1313А, НР Е1413А). Эти модули средней производительности реализуются в размерах В и С.
Встроенные модули SCP имеют 5 модификаций исполнения, предназначенных для различных типов датчиков и сигналов. Среди них есть специализированные SCP для подключения термопар, терморезисторов, тензодатчиков и других первичных преобразователей с малыми уровнями сигналов, включаемых по 2-проводной, полумостовой или мостовой схеме. Можно выбрать модуль SCP для измерения двуполярных сигналов с диапазонами от 62,5 mV до 16 V. Кроме того, есть варианты фиксированных или программно-изменяемых усилителей и фильтров. Выбирая различные платы SCP, пользователь может самостоятельно конфигурировать 64-канальный сканер на конкретную схему измерений. Платы SCP вставляются в модуле в специ альные посадочные места (мезонины), размещенные на базовой плате.
На базовой плате модуля размещаются 64-канальный полупроводниковый мультиплексор и 16-битовый АЦП. Индивидуальная программная настройка каждого канала, тестирование и калибровка модуля осуществляются под управлением сигнального процессора (DSP) с программой калибровки (CAL). Для хранения промежуточных результатов измерений в модуле имеется буферная память типа FIFO на 64 Кслов. Текущие значения режимов и диапазонов измерений по всем каналам хранятся в специальных таблицах (Current Value Table) и используются для диагностики и тестирования модуля в режиме on-line.
Дигитайзеры и осциллографы. Для регистрации быстропротекающих процессов в стандарте VXI используются высокоскоростные дигитайзеры и цифровые осциллографы с частотой измерения от 10 MHz до 1 GHz и разрешением соответственно от 18 до 8 бит и числом параллельных каналов 2 или 4. Эти модули оснащены обычно встроенной буферной памятью, которая может быть расширена до 16 MB с помощью модулей памяти, подключаемых к измерительному блоку по локальной шине VXI. Дигитайзеры и осциллографы могут использоваться самостоятельно или совместно с модулем сигнального процессора (НР Е1485В) для получения, например, спектров в реальном масштабе времени с числом отсчетов Фурье-преобразования 1024 за время не более 2 ms. В качестве примера такого дигитайзера, имеющего выход на локальную шину, можно привести модуль НР Е1429В. Модуль имеет два параллельных измерительных канала с дифференциальным входом, усилителем/аттенюатором, 12-битовым АЦП и буферной памятью 512 Кслов на каждый канал. Максимальная скорость регистрации 20 Мслов/с на канал. Подобные модули выполняются только в размерах С и D.
Генераторы и источники электрических сигналов. В эту группу модулей входят цифро-аналоговые преобразователи, функциональные генераторы, генераторы импульсов.
Цифро-аналоговые преобразователи. В ЦАП стандарта VXI используются 16-битовые цифро-аналоговые преобразователи с двуполярным вольтовым или токовым выходом с гальванической развязкой. Число независимых выходов у разных модулей различается: от 4-х до 12-ти в одном модуле. 12- канальный ЦАП производства фирмы Tektronix X4730 имеет вольтовый выходной сигнал ±16,3835 V c разрешением 500 mV и током нагрузки 410 mA по каждому каналу. Имеется возможность записи кода с шины VXI в двоичном или ASCII формате со скоростью 250 KB/sec. Модули ЦАП выпускаются в размерах В и С.
Генераторы и источники электрических сигналов.
Функциональные генераторы служат для задания на объекте испытаний тестовых сигналов различной формы и периодичности. Среди них имеются модули, генерирующие стандартные периодические сигналы (синусоидальные, прямоугольные, треугольные, пилообразные, импульсные) или случайные сигналы с программно-изменяемыми формой и параметрами. Примером такого прибора может служить модуль НР Е1440А, имеющий частотный диапазон выходных сигналов от 1 mHz до 21 MHz с амплитудой ±10 V и разрешением 11 бит.
Другой тип модулей этой группы генераторы сигналов произвольной формы с возможностью программной генерации желаемых сигналов периодического или одноразового характера.
Кроме того, среди этих модулей имеются суммирующие усилители, позволяющие получить на выходе суммарное значение двух сигналов с выходов функционального генератора с усилением по мощности до 10 W. Модули функциональных генераторов выпускаются в размерах C и D.
Генераторы импульсов. Данные модули в стандарте VXI также достаточно универсальны и могут использоваться в качестве собственно генератора импульсов, генератора прямоугольных сигналов, генератора тактовой частоты и синхронизации, а также триггерного запуска других устройств в заданные интервалы времени. Таких модулей выпускается немного, их характеристики примерно одинаковы и имеют следующие усредненные значения:
К этим модулям в качестве дополнения выпускаются усилители и расширители числа каналов до 6 в дном модуле. Модули реализованы в размерах В и С.
Модули цифрового ввода/вывода. Типы выпускаемых в стандарте VXI модулей цифрового ввода/вывода вполне удовлетворяют большинству задач и требований, встречающихся в практике автоматизации испытаний и исследований. Их можно разделить на модули с низким уровнем входных/выходных сигналов (TTL, CMOS) с двух- и трехуровневым состоянием и модули с повышенным уровнем входных/выходных сигналов (до 48 V), используемых обычно для управления внешними реле и ввода информации типа «включено/выключено» с контактов внешних реле и концевых выключателей.
Модули с низким уровнем сигналов. Как правило, эти модули имеют оптоизоляцию и байтовую организацию двунаправленного обмена логической информацией с внешними цифровыми устройствами. Некоторые модули имеют буферную векторную память (обычно 64 Кслов), например модуль НР Е1452А. Число разрядов ввода/вывода составляет от 32 (4 байта) до 96 (12 байтов). Типовая частота обмена по внешним портам у различных модулей от 90 KHz до 20 MHz. Существенным преимуществом подобных модулей в стандарте VXI является высокая степень программной настройки на текущую конфигурацию. Например, задание направления обмена и полярности сигналов для каждого байта индивидуально, обмен в двоичном или восьмеричном ASCII-коде, организация различных протоколов обмена типа handshake, наложение масок, настройка прерываний и т. п. Модули выпускаются в размерах В и С.
Модули с повышенным уровнем сигналов. Модули этого класса выпускаются раздельно для ввода или вывода информации типа «да/нет».
Входные модули имеют оптоизоляцию и могут использоваться как для анализа двоичного состояния внешних устройств, так и для ввода прерываний от внешних объектов с возможностью программного маскирования. С помощью перемычек на модуле можно устанавливать уровень напряжения входных сигналов: 5, 12, 24 или 48 V. Программно можно задавать длительность входных импульсных и потенциальных сигналов в пределах от 100 ms до 1024 s, что весьма удобно в работе с различными источниками прерываний и устройствами, имеющими «дребезг» при переключении из одного состояния в другое. Типичное время ввода информации во входные регистры модуля 1 ms. Типичное число каналов 32 (для модулей размера В) и 64 для модулей размера С.
Выходные модули реализуются обычно по схеме с открытым коллектором и могут иметь уровни выходных напряжений 5, 12, 24 или 32 V в зависимости от установленной перемычки на плате модуля. При этом для напряжения 32 V обеспечивается токовая нагрузка до 200 mA на канал. Число каналов у таких модулей может достигать 72. Модули выпускаются в размерах В и С.
Модули силовых ключей. Эти модули используются обычно для управления внешними реле и пускателями. Модули этого типа также реализуются в двух модификациях: на основе реле или на основе полупроводниковых ключей и различаются числом каналов и электрическими характеристиками коммутируемых цепей. Модули релейных ключей имеют 16, 32 или 64 выходных канала управления с напряжением коммутируемых цепей 250 или 150 V и током 1 или 5 А. Более быстродействующие полупроводниковые ключи имеют 32 или 64 канала и расчитаны на напряжение 250 V или 120 V.
Типовое значение тока нагрузки для них 0,6 А, однако в некоторых модулях можно увеличивать ток в выходной цепи до 5 или 8 А. Модули ключей выпускаются также в размерах В и С.
Модули специального назначения. Эти модули специфичного применения выпускаются производителями, как правило, по специальному заказу в малых сериях, но имеют достаточно широкую номенклатуру. Их функции ориентированы на весьма узкие области использования и имеют уникальные технические характеристики. Среди них можно отметить модули для многоканальных виброакустических испытаний (фирмы Bruel&Kjaer, HP); измерители мощности радиосигналов, модули тестирования электрических и оптических линий связи в системах телекоммуникаций, многоканальные компараторы, модули управления шаговыми двигателями (Tektronix, HP); высокочастотные аттенюаторы и усилители (CAL-AV Labs), регистраторы быстроменяющихся сигналов (Kinetic Systems Corp.) и др. Для этой группы модулей используются все типоразмеры плат VXI.
В целом система во многом аналогична PXI, но предполагает использование более высокоинтеллектуальных модулей, как правило, включающих собственный управляющий процессор. IBMсовместимые контроллеры VXI, по сути, сами являются достаточно мощными компьютерами, они включают процессор семейства Pentium, жесткий диск, оперативную память, допускают прямое подключение монитора и клавиатуры и вполне могут выполнять функции управляющей ЭВМ. Все это, несомненно, расширяет функциональные возможности систем этого стандарта, но значительно увеличивает их стоимость.
Приборный интерфейс КОП (GPIB)
Этот стандарт зафиксировал электрические и механические соединения между компьютерами и приборами. Интерфейс GPIB рекомендован к использованию Международной электротехнической комиссией МЭК 625.1 ( International Electrotechnical Commission IEC 625.1). Аналогичный российский стандарт ГОСТ 26.003-80 использует название «канал общего пользования» (КОП). Уточним цели, которые ставили перед собой разработчики интерфейса многопроводного магистрального канала передачи информации:
В результате получился надежный и эффективный канал передачи данных. Приведем основные технические характеристики приборного интерфейса GPIB:
Простота использования, постоянное развитие аппаратной поддержки GPIB, разработка новых GPIB-совместимых приборов приводит к росту числа пользователей шины, несмотря на мощную конкуренцию со стороны архитектур VMEbus и др. Поскольку шина GPIB полностью стандартизована и протестирована, большинство производителей автоматизированных измерительных систем и приборов встраивают в свои изделия интерфейсы GPIB в качестве основного канала передачи данных.
Измерительная система GPIB собирается путем соединения приборов и компьютера (контроллера) интерфейсными кабелями. Топология магистрали при этом может быть радиальной (звезда) или последовательной (рис.4 а, б).
Рис. 4 Конфигурация системы GPIB
Длина кабелей ограничена стандартом не более 4 метров (практически 2-3 м) при общей длине магистрали до 20 м. На больших расстояниях используют повторители расширители магистрали (например HP 37204 A,B), а также соединение удаленных сегментов измерительной системы по последовательному интерфейсу (например, устройство связи по телефонным каналам HP 37201A). GPIB-магистраль состоит из 16 сигнальных линий и 8 линий заземления или возврата сигнала (рис.5)
Контроллер выполняет функции арбитра и определяет, какие из устройств в данный момент находятся в состоянии «talker» и «listener». GPIB обладает чертами сети с централизованным управлением. Функции контроллера подобны функциям коммутатора телефонной сети. Контроллер следит за состоянием интерфейса и при обнаружении запроса на передачу сообщения соединяет источник с приемником. Такое управление требуется не всегда, а в основном при смене источника и приемника. К магистрали может быть одновременно подключено несколько контроллеров. В этом случае один из контроллеров (как правило, расположенный на интерфейсной карте компьютера) является ответственным контроллером (Controllerin- Charge, CIC) и делегирует по мере надобности свои функции другим контроллерам.
Кроме собственно магистрали, в аппаратную часть интерфейса входят аппаратно-программные блоки, расположенные в приборах интерфейсные карты (ИКАР). Структурная схема типовой интерфейсной карты представлена на рис.6.
Рис. 6 Стуктура интерфейсной карты GPIB
Модульный интерфейс PXI
Общее описание интерфейса.
Реализовав коммерческую PCI-технологию в надежном промышленном исполнении, поддерживающем работу с модульными приборами, PXI представляет собой совершенную платформу, оптимизированную для использования в высокопроизводительных приложениях измерений и автоматизации.
Платформа PXI основана на широко распространенном стандарте CompactPCI и обеспечивает эффективное взаимодействие с тысячами модулей CompactPCI. PXI представляет собой надежную платформу с фронтальной загрузкой модулей и встроенными возможностями синхронизации и тактирования отдельных устройств, специально разработанными для решения задач тестирования и измерений. PXI является международным стандартом, поддерживающимся более чем 60 производителями оборудования, в рамках которого разработано свыше 1100 различных продуктов. Высокая производительность, малый размер и низкая цена основанных на технологии PXI систем сделали PXI одной из наиболее быстро развивающихся платформ в технологии тестирования и измерений. Система предлагает большой выбор контрольно-измерительных модулей PXI, среди которых:
Надежность механической системы PXI определяется следующими факторами:
На рис. 7 схематично показан вид крейта PXI. Крейт представляет собой шасси, в задней части которых расположены разъемы для подключения станций контроллера и интерфейсов внешних устройств. Контроллер устанавливается в слот № 1; справа от н его располагаются слоты для под ключения интерфейсных модулей (до семи для крейтов с тактовой частотой 33 МГц и до 3 для 66 МГц), слева могут располагаться дополнительные слоты дл я установки дополнительных плат расширений контроллера. Преимущества крейта:
Стандарт PXI допускает два типоразмера интерфейсных модулей ( рис. 8 ): формат 3U, размером 100×160 мм с двумя разъемами для подключения к шине крейта (J1 и J2), и формат 6U, размером 233.35×160 мм, с четырьмя разъемами. Разъем J1 полностью аналогичен стандартному слоту PCI-32, разъем J2 содержит контакты, расширяющие шину данных PCI до 64 бит и выполняющие дополнительные функции PXI, назначение контактов двух других разъемов не стандартизовано.
Основные электрические характеристики стандарта PXI:
В дополнение к обычным линиям PCI-шины стандарт PXI включает дополнительные линии, образующие локальную шину PXI. Каждый из интерфейсных модулей соединен 13 линиями этой шины со своим правым и левым соседом в крейте. Кроме этого, ближайший к контроллеру крейта слот (№ 2) звездообразно соединяется с остальными шестью ( рис. 9 ). 13 линий локальной шины могут использоваться как для передачи цифровых сигналов в стандарте TTL, так и для аналоговых сигналов напряжением до 42 В, что определяется конструкцией отдельных модулей и должно учитываться при разработке соответствующего программного обеспечения. Контроллер PXI имеет встроенный таймер с тактовой частотой 10 МГц, который используется для синхронизации процессов в интерфейсных модулях.
Синхронизация и тактирование работы модулей осуществляются с помощью:
Наличие звездообразного соединения модулей (триггер-линии, аналог линий LAN системы КАМАК), как и в КАМАК, позволяет передавать информацию непосредственно от интерфейсного модуля к контроллеру. Эти же линии могут использоваться для синхронизации процессов в интерфейсных модулях. При наличии специализированного модуля контроллера триггеров возможна передача сигналов по триггер-линиям от одного модуля к другому, минуя контроллер, и, таким образом, организация достаточно сложных последовательностей операций, выполняемых интерфейсными модулями без участия контроллера крейта и управляющей ЭВМ.
Как компанией-разработчиком, так и другими фирмами (этому способствует то, что PXI является открытой архитектурой) выпускается широкий ассортимент крейтов, контроллеров и интерфейсных плат этого стандарта, назначение которых аналогично интерфейсам КАМАК. В то же время более высокие требования к электрическим и механическим параметрам компонент приводят к заметно более высоким ценам этих устройств. Выбор между PCI и PXI платформами зависит от потребностей вашего приложения в числе каналов и предъявляемых требований к надежности системы. Для большинства приложений с низким числом каналов хорошо подходят решения на базе шины PCI в силу своей доступной цены, хорошего качества работы и большого набора модулей. По мере увеличения числа каналов требуется использование платформы PXI, которая обладает большим числом разъемов для установки модулей. Несколько PXI-шасси с числом разъемов в каждом вплоть до 18, могут быть организованы в единую систему с использованием специализированных средств синхронизации. Еще одним фактором, определяющим выбор платформы, являются условия работы системы. Платформа PXI разработана в соответствии с надежными спецификациями разъемов и шасси и обеспечивает лучшее охлаждение, чем настольные, или промышленные компьютеры. Продукция для шин PCI и PXI разрабатывается с использованием одинаковых драйверов, и поэтому все эти продукты и программное обеспечение полностью совместимы. Например, вы можете сначала использовать оборудование на базе шины PCI, а затем, если изменится число каналов, или потребуется улучшить синхронизацию, перейти на PXI без необходимости изменения программного кода.
