промышленностью в составе агрегатных комплексов ГСП и продукции радиоэлектронной промышленности.

Разработка, аппаратурная доводка и программное оснащение ИВК, проектируемых и создаваемых в специализированных организациях, конечно, должны обеспечить высокое гарантированное качество комплексов.

В табл. 9.1 приведены основные данные ИВК-1-ИВК-4, ИВК-7, ИВК-8, имеющие назначение преимущественно для создания ИИС, входящих в автоматизированные системы научных исследований и комплексных испытаний.

Основные положения, признаки классификации и общие требования к ИВК в целом и к их компонентам, а также требования к проведению испытаний установлены ГОСТ 26.203-81.

В соответствии с этим ГОСТ ИВК представляет собой автоматизированное средство измерений электрических величин, на основе которого возможно создание ИИС путем присоединения ко входу измерительных каналов ИВК датчиков измеряемых величин с унифицированным электрическим выходным сигналом и генерации на основе программных компонентов ИВК программ обработки информации и управления экспериментом, ориентированных на решение конкретных задач.

Этот ГОСТ допускает возможность модификации выпускаемых ИВК под конкретную ИИС. Конкретизация области применения ИВК предусматривается для проблемных (ориентированных на конкретную область применения) и специализированных (уникальных, единичных) ИВК. Типовые ИВК предназначены для решения широкого круга типовых задач автоматизации измерений. Выбор комплекса нормированных метрологических характеристик ИВК производится в соответствии с ГОСТ 8.009-72 (см. гл. 22).

Основными техническими компонентами ИВК являются измерительные и вычислительные компоненты, меры, счетчики текущего времени и средства ввода-вывода цифровых и релейных сигналов.

Программными компонентами ИВК являются системное программное обеспечение (программы ЭВМ и ИВК, обеспечивающие работу ИВК в диалоговом режиме, управление измерительными компонентами и обменом информацией между ними, проверку работоспособности ИВК) и прикладное программное обеспечение. Последнее включает типовые программы обработки измерительной информации, планирования эксперимента, метрологического обслуживания ИВК. По договоренности с заказчиком разработчики ИВК могут поставлять дополнительные программы.

Измерительно-вычислительные комплексы, производимые серийно, проходят государственные контрольные испытания, на которые предъявляется один экземпляр ИВК данного типа. Конкретное содержание испытаний устанавливается в соответствии с ГОСТ 8.001-80. Поверке подвергаются все измерительные каналы. Может осуществляться поэлементная поверка измерительных

каналов, если элементы имеют нормированные метрологические характеристики и имеется методика расчета характеристик канала по метрологическим характеристикам компонентов.

Измерительно-вычислительные комплексы ИВК-1-ИВК-6 представляют собой комбинацию базовых комплектов СМ-3 и СМ-4 (без устройств связи СМ с объектом, которые обязательны при использовании СМ-3 и СМ-4 в качестве управляющих вычислительных комплексов - УВК) и крейтов КАМАК, оснащенных различными функциональными модулями.

Базовый комплект СМ-3 СМЗ СМ-31 DZM-180

Видеотон-ЗЧО ПЛ-150 M30T-1J70

\Эксперимен- .

тальная . yjjcmaHoeKa

ЦАВОМ

Н-306

Рис. 9.1. Структурная схема ИВК-3:

КК - контроллер крейта, ЦАВОМ - цифровой ампервольтомметр

Структуры ИВК-1-ИВК-6 аналогичны, поэтому достаточно рассмотреть структуру одного типа ИВК. Измерительно-вычислительный комплекс ИВК-3 (рис. 9.1) предназначен для автоматизации исследований, проводимых с использованием оптических спектральных устройств. В состав ИВК-3 входят базовый комплект управляющего вычислительного комплекса СМ-3, крейт КАМАК с набором функциональных и сервисных модулей (на рис. 9.1 сервисные модули не показаны), цифровой ампервольтомметр (5 десятичных разрядов, до 5 измерений в секунду), планшетный графопостроитель Н-306 (погрешность ±0,5%, скорость черчения до 75 см/с).

Базовый комплект СМ-3 содержит процессор СМ-ЗП, оперативное запоминающее устройство (32 Кслов), алфавитно-цифровой видеотерминал (дисплей) типа Видеотон-340 (размер экрана 200X140 мм, число знаков 80X16), алфавитно-цифровое печатающее устройство DZM-180 (180 знаков/с, 132 знака в строке), накопители на перфоленте и магнитном диске (ИЗОТ-1370; 4,8 Мбайт),

Крейт КАМАК содержит следующие функциональные модули: д'ва двухканальных ЦАП (10 двоичных разрядов, 100 кГц), АЦП (9 и 14 двоичных разрядов, 80 и 0,5 преобразований/с), коммутатор (16 точек, до 100 переключений в секунду), два модуля управления шаговыми двигателями ШД, модули входных и выходных регистров (24X2 двоичных разряда), счетчики импульсов.

В состав сервисных модулей Входят индикатор магистрали, ручной контроллер, регистры и генераторы слов и т. п.

В системное программное обеспечение входят дисковая операционная система ДОС СМ, дисковая операционная система реального времени ДОС РВ, фоново-оперативная базовая операционная система реального времени ФОБОС, программный монитор КАМАК для организации операций обмена между устройствами управляющего вычислительного комплекса СМ-3 и модулями КАМАК, использующий язык ФОРТРАИ-IV, тесты для проверки функциональных элементов комплекса.

Измерительно-вычислительный комплекс ИВК-3 снабжен программами, ориентированными на обеспечение выполнения часто встречающихся стандартных операций при спектральных исследованиях: управление спектральным устройством в режимах синхронного сканирования, усреднение спектральной информации и оценка точности измерений, оперативное управление экспериментом в режиме диалога, вывод спектров на дисплей, алфавитно-цифровое печатающее устройство, графопостроитель, преобразование спектров. Наличие проблемно-ориентированного программного обеспечения ИВК-3 существенно облегчает создание про грамм пользователя, необходимых для обеспечения работы конкретной системы, основанной на использовании ИВК-3. Приведенные материалы показывают, что ИВК-3 позволяет выполнять основные функции, необходимые для проведения автоматизированного эксперимента в области спектральных исследований.

Приведем основные технические характеристики ИВК-7 и ИВК-8. В ИВК-7 и ИВК-8 используется интерфейс типа Общая шина СМ-3. Стандартные функциональные блоки из номенклатуры АСЭТ объединяются в измерительную стойку и подсоединяются к магистрали Общая шина с помощью интерфейсных узлов. Эти ИВК различаются составом набора функциональных блоков.

Технические характеристики ИВК-7 (рис. 9.2): 197 каналов коммутации напряжений ±100 мВ, ±10 В, ±100 В; быстродействие- 100 переключений в секунду (может быть существенно увеличено); суммарная погрешность усилителя, коммутатора и АЦП оценивается в ±0,4%.. Из этих данных видно, что ИВК-7 предназначен для измерения относительно быстро протекающих процессов с относительно невысокой точностью.

Измерительно-вычислительный комплекс ИВК-8 (рис. 9.3) может коммутировать 100 напряжений ±10 В, имеет погрешность

Базовый комплект СМ-3

Расширитель ОШ

Измерительная

Стойка -

ИФУ

ИФУ

ИФУ

Рис. 9.2. Структурная схема ИВК-7

<

Измерительная

Расширитель ОШ

ИФУ

I fc!

>

Рис. 9.3. Структурная схема ИВК-8

измерительной цепи коммутатор - цифровой вольтметр (ЦВ) не более ±0,17о>, время измерения без фильтра 50 мс или 400 мс и 4 с с фильтром. Выходные сигналы имеют поддиапазоны 0,1; 1,0; 10 В при количестве делений 10 , основная погрешность не более ±0,03%, а время установления выходного напряжения 20-ЮОмс. Таким образом, ИВК-8 специализирован на выполнение высокоточных измерений, он может быть использован и для поверочных- работ.

Наработка на отказ для ИВК-7 составляет 20U ч, а для ИВК-8 - 300 ч.

Системное программное обеспечение ИВК-7 и ИВК-8 реализовано на основе системного обеспечения СМ-3. В нее входит диалоговая система (ДС) СМ на языке FOCAL (отладчик, редактор и др.), дополненная программами управления и обмена с измерительными блоками. Связь блоков измерительной стойки с магистралью общей шины ОШ осуществляется при помощи расширителя ОШ, который ретранслирует сигналы с задержкой 350 не и позволяет разделить магистраль ОШ на независимые отрезки и увеличить длину кабеля до 15 м.

Опыт создания на основе ИВК довольно разнообразных ИИС (для аэродинамического эксперимента, испытания паровых турбин, газотурбинных двигателей и пр.) показывает, что в ИВК можно относительно легко производить перекомпоновку и доработку, используя в основном штатные технические средства. Сказанное позволяет существенно уменьшить объем работ по созданию систем. Однако объем дополнительного оборудования может быть сравним с поставляемым в составе ИВК. Далее, отсутствие в составе ИВК измерительных цепей, позволяющих использовать различные датчики, затрудняет метрологическую аттестацию ИИС. Значительный объем работ при создании ИИС на основе ИВК пользователю приходится выполнять по созданию соответствующих программных средств. Очевидно, необходимо расширить возможность доукомплектования выпускаемых ИВК измерительными устройствами.

Можно сделать вывод, что ИВК-1 - ИВК-8 ориентированы на автоматизацию относительно дорогостоящих экспериментов. Можно предполагать, что они могут объединять работу нескольких оснащенных микро-ЭВМ, терминальных измерительных систем, обладающих относительно небольшими автономными возможностями.

Рассмотренные ИВК имеют стандартные структуры. Господствующей среди аналого-цифровых измерительных устройств является комбинация измерительных коммутаторов и АЦП. Кроме того, в ИВК входят мини-ЭВМ или микро-ЭВМ со стандартными периферийными устройствами. Технические средства в ИВК объединяются с помощью стандартных интерфейсов (приборного, КАМАК) или интерфейса периферийной части ЭВМ. Измерительно-вычислительный комплекс обеспечивается операционными программами и некоторыми программами прикладного характера.

Следует отметить, что в большинстве ИВК предусмотрены устройства, необходимые для организации внешних воздействий на объект исследования или для изменения режима его работы, а также сервисные аппаратура и программы.

Помимо ИВК широкого назначения получили распространение специализированные ИВК, например для автоматизированных стендов, предназначенных для виброиспытаний различных двигателей и силовых конструкций, для аэродинамических испытаний.

для испытаний и поверки радиотехнической аппаратуры и др. По существу, специализированные ИВК приближаются к своему завершенному виду-ИИС, рассмотрению которых посвящено дальнейшее изложение книги.

К специализированным ИВК относятся комплексы в транспортабельном исполнении. Они используются для полевых и промысловых исследований в геофизике, для охраны природы, в строительстве, сельском хозяйстве и т. п. Такие системы и комплексы должны работать в режиме экспресс-анализа и иметь возможность передачи данных на мощные ЭВМ для дальнейшей обработки.

Для исследования сложных объектов в ряде случаев целесообразно создавать двухступенчатые системы: на нижней ступени использовать микро-ЭВМ, а на верхней - обеспечивать их совместную работу, сложные виды обработки информации. Подобные двухуровневые системы были разработаны и использованы для испытания сложных гидротехнических сооружений, прочност ных испытаний и т. п. В таких системах производились сжатие данных, коррекция погр:чнностей, поверка метрологических характеристик измерительных каналов и т. п. Очевидно, ИВК, обеспечивающие построение двухуровневых ИИС, будут занимать заметную долю ИВК, выпускаемых промышленностью.

Объединение в ИВК современных средств измерительной и вычислительной техники, стандартных интерфейсов дает возможность изменять по мере надобности их состав, применять алгоритмы, позволяющие достигать сложных целей измерения, производить коррекцию результата измерения, выполнять поверочные операции и т. п.

Необходимо отметить, что создание измерительно-вычислительных средств, особенно с использованием микропроцессорной техники, - одно из основных направлений развития ИИТ. В этом свете цифровые измерительные устройства, многоканальная регистрирующая аппаратура и другие измерительные устройства, содержащие микропроцессорную технику, обладают повышенными интеллектуальными способностями, приближающими их к ИВК-

Можно предполагать, что ИВК будут в дальнейшем существенно развиваться, что позволит создавать более совершенные ИИС при ограниченных затратах времени и средств.

Часть четвертая СТРУКТУРЫ и АЛГОРИТМЫ ИИС

Рассмотрим структуры и алгоритмы основных видов информационных измерительных систем - измерительных, контрольных, диагностических и распознающих систем, а также телеизмерительных систем, включающих специальные каналы связи большой протяженности.

Главное, наиболее существенное различие между этими системами определяется целями выполняемых ими процессов получения информации и отражается в первую очередь в алгоритмах их работы. Системы могут основываться на использовании специализированных или универсальных многофункциональных технических средств.

Построение систем с применением, например, таких универсальных системных средств, как средства микропроцессорной техники и информационно-вычислительный комплекс, позволяет реализовать на них различные алгоритмы.

Однако специализированные структуры информационных измерительных систем также широко распространены ввиду наличия у них таких положительных качеств, как приспособленность к решению конкретной задачи, резкое упрош,ение программного обеспечения системы, возможность достижения более высокого быстродействия, зачастую более простая эксплуатация.

Заметим, что специализированные структуры реализуются с помощью аппаратных средств с жестким соединением функциональных блоков или средств, каждое из которых способно функционировать по фиксированным программам.

Анализ развития информационно-измерительной техники вообще и ИИС в частности, вычислительной техники, микроэлектроники позволяет утверждать, что в дальнейшем помимо специализированных и универсальных структур будут все больший вес приобретать такие структуры, в которых разумно объединяются специализированные и универсальные средства.

В этой части книги обращается особое внимание на основные алгоритмы работы систем, показываются необходи.мые для реализации этих алгоритмов принципы построения специализированных структур и возможности использования универсальных структур.

А. Измерительные системы (ИС)

Глава 10

СИСТЕМЫ ИЗМЕРЕНИЯ НЕЗАВИСИМЫХ ВХОДНЫХ ВЕЛИЧИН

10.1. ОСНОВНЫЕ РАЗНОВИДНОСТИ СИСТЕМ ИЗМЕРЕНИЯ НЕЗАВИСИМЫХ ВХОДНЫХ ВЕЛИЧИН

Входными для ИИС являются величины, воспринимаемые датчиками или другими входными устройствами системы. Ниже рассматриваются измерительные системы, у которых целью измерения (измеряемыми величинами) являются именно входные величины.

Во [ьшинство входных величин (масса, геометрические размеры или перемещения объекта, его температура, сила, на него действующая, и т. п.) имеют невысокую размерность, подчиняются законам аддитивности, порядка и эквивалентности. Как правило, для них имеются образцовые меры той же физической природы.

Задача таких ИС заключается в выполнении аналого-цифровых преобразований множества величин Z : I (Zo) I (Zc/Z) I (Z) и в выдаче полченных результатов измерений I (R:Z) 11 (W:Z) 11 (S:Z). Этот алгоритм осуществляется в большинстве случаев аналого-цифровой частью ИИС, принципы действия которой описаны в гл. 8, и присоединенными к ней устройствами отображения, регистрации и хранения измерительной информации. Конечно, проведенный алгоритм может усложняться в зависимости от задач, стоящих перед ИС. Наиболее часто в алгоритм вводятся аналоговые преобразования входных величин с целью их аналоговой регистрации 1{Хо) liXJXi) l(W : Xi) с возможным последующим аналого-цифровым преобразованием и обработка аналоговых или цифровых сигналов в целях, например, фильтрации, накопления, введения тестовых и образцовых сигналов на вход ИС.

В рассматриваемых ИС основные типы измеряемых входных величин (см. гл. 2) могут быть сведены или к множеству изменяющихся во времени величин {a;,())1=:i, 2.....п, или к изменяющейся

во времени t и распределенной по пространству S непрерывной функции x{t, S).

При измерении непрерывная функция x{t, S) представляется

множеством дискрет {X{ti, Sj)}i=l,2,...,n; 3=1.2,3-

Для иллюстрации основных принципов построения таких систем достаточно ограничиться изучением структур и алгоритмов ИС, производящих измерения дискрет функции x{t, S) и основанных на использовании многоточечных, мультиплицированных и сканирующих структур системных аналого-цифровых измерительных каналов (многоканальные структуры ввиду их системотехнической простоты здесь можно не рассматривать).

Отметим, что в таких ИС программируемые вычислительные средства используются для выполнения операций обработки ре-

зультатов аналого-цифровых преобразований, главным образом, в целях улучшения точностных характеристик результатов измерения, а также для управления работой системы.

Арсенал систем для измерения входных величин велик, и тем не менее продолжается создание новых систем. Конечно, это отчасти объясняется различиями в требованиях, предъявляемых к ИС в зависимости от условий измерительного эксперимента, в котором они должны работать. Но в первую очередь это объясняется большим разнообразием величин, подлежащих измерению.

1-1 Л

с

1-3,%5\

V 1-2.,В,7

V J

10%С

R,Ot 10 10 10 10 10 Рис. 10.1. Основные параметры датчиков:

/ - датчики сопротивления - параметрические (/-/ - реостатные; 1-2 - тензорезисторы; 13 - индуктивные; 1-4 - индукционные; t-S - терморезисторы; 1-6 - магнитоупрз гие; /-7- емкостные); 2 - термоэлектрические датчики; 3 - фотоэлектрические датчики; 4 - счетчики элементарных частиц; 5 - электрохимические датчики; 6 -датчики, основанные на эффекте Холла; 7 - пьезоэлектрические датчики

Если даже ограничиться обзором только динамического и частотного диапазонов, а также диапазона выходных сопротивлений электрических датчиков, предназначенных для восприятия одной величины, то окажется, что эти диапазоны очень широки. На рис. 10.1 представлены ориентировочные области выходных сигналов (напряжений), выходных сопротивлений и инерционности существующих датчиков.

По уровню выходного напряжения датчики можно условно подразделить на такие группы:

с весьма низким уровнем сигнала (менее 5-10- В);

с низким уровнем сигнала (от 5-10- до Ю- В);

со средним уровнем сигнала (от 10~ до 1 В);

с высоким уровнем сигнала (более 1 В).

Наиболее распространены датчики со средним уровнем сигнала

(около 60% всех типов датчиков). Датчики, имеющие низкий и высокий уровни сигнала, распространены примерно одинаково (по 15% типов).

Динамический диапазон выходных сигналов у большинства датчиков не превышает 100 дБ.

Частотный диапазон большинства датчиков лежит в диапазоне от 10 до 10* Гц. В отношении погрешностей датчиков следует отметить, что большинство датчиков имеют погрешности преобразования примерно от 0,1 до 0,5Ненужно отметить, что наиболее распространенные параметры сигналов определяют и наибольшее количество ИС, работающих в этих диапазонах параметров.

Кроме одиночных датчиков в ИС эффективно применяются системные датчики, воспринимающие поле величин (телевизионные, голографические и др.).

Большие перспективы имеют удобно комплектуемые с интегральной микроэлектроникой малогабаритные полупроводниковые чувствительные элементы с частотным выходным сигналом - сенсоры. Группа сенсоров может быть объединена с элементами микроэлектроники (включая и микропроцессор) в одной интегральной микросхеме. Естественно, что отличающиеся друг от друга датчики требуют разного подхода к построению измерительных схем соответствующих систем.

Из огромного разнообразия измеряемых величин по их физической природе для рассмотрения здесь разумно выбрать величины и воспринимающие их датчики, наиболее часто встречающиеся, но в то же время различающиеся по основным характеристикам.

Следует подчеркнуть, что материал по системам базируется на содержании предыдущих частей книги. Читатели должны и могут самостоятельно дополнять этот материал, развивая его в нужном направлении.

10.2. МНОГОТОЧЕЧНЫЕ ИС С РЕЗИСТИВНЫМИ ДАТЧИКАМИ

Если распределенная в пространстве величина воспринимается множеством датчиков, размещенных в определенных заранее точках, то в ИС (см. гл. 7) возможно применить аналого-цифровые устройства с параллельной, параллельно-последовательной или мультиплицированной структурами. Такие ИС во многих случаях представляют объединение датчиков с аналоговыми измерительными цепями, системными аналого-цифровыми устройствами и устройствами выдачи информации; увеличивается количество ИС, включаюш,их средства микропроцессорной техники.

Поскольку структуры и алгоритмы многоточечных ИС довольно однотипны, ограничимся рассмотрением выпускаемых промышленностью ИС параллельно-последовательного действия типов К-732 и К-742.

Измерительная система К-732 [7.11] предназначена для измерения с помош,ью тензорезисторов местных деформаций, возникаю-