18.3. ОБ АДАПТИВНЫХ ТИС

В адаптивных ТИС алгоритмы работы учитывают изменение измеряемой величины или окружающих условий (воздействий). Главные цели применения адаптивных ТИС состоят в исключении избыточности выдаваемой системой измерительной информации (обычно с сохранением возможности восстановления исключенной информации) и в сохранении или оптимизации метрологических характеристик (помехоустойчивости, быстродействия, погрешностей) при изменении условий измерительного эксперимента.

Рис. 18.11. ТИС с разностно-дискретной модуляцией

В ТИС используются рассматриваемые в гл.21 алгоритмы адаптивной дискретизации и могут быть использованы алгоритмы адаптивной аппроксимации (гл. 11) Выигрыш в объеме передаваемой информации в ТИС используется для передачи дополнительной информации по каналу связи.

К специфическому для ТИС приему сжатия можно отнести передачу разностных отсчетов. Этот прием аналогичен выполнению следящего уравновешивания непрерывных величин.

Существует несколько разновидностей этого приема:

а) передача разности x(/Ai)-x[(/-1)Д^] и знака;

б) применение разностно-дискретной модуляции (РДМ) и Д-модуляции.

При РДМ передаются приращения е равные -1, О, -Ы, а при А-модуляции - равные -1, -f-1 при отсутствии приращения. Структурная схема ТИС с РДМ приведена на рис. 18.11. Алгоритм работы: выборка Xi и сравнение с Хк

Ф(/:=/+1; М) [I,(x(0/x,)11LI,(Xk)]X

XIi(CR :Хк, Х/)Х выдача результата сравнения

Х{[(01(Хк=х^) 1,(е^=0]Х X I [ 1 (Xj>x) I, (е,= 1)] I [и, (xi<Xk)X Xli(e,=-l)]X

получение значения измеряемой величины

X Ik.c(е,) I. (г/ = ej-j-e, I, (/)... \ 1=1 J

При РДМ по КС передаются короткие сообщения. Для устранения возможного накопления ошибок целесообразно передавать через некоторое время на приемную часть значение Зк.

Л

Преобразователь погрешностей аппроксимации

Л

Преобразователь погрешностей аппроксимаи,ии

Анализатор погрешностей

Рис. 18.12. Адаптивная коммутация

При измерении нескольких величин и передаче соответствующей измерительной информации с временным разделением сигналов может быть использована адаптивная коммутация [17.1, 17.7]. При адаптивной коммутации в преобразователях погрешностей аппроксимации оценивается разность между предыдущим отсчетом и текущим размером каждой входной величины Ui и эта оценка передается в анализатор погрешностей, который выделяет максимальное значение погрешности и выдает команду на подключение соответствующей входной величины к аналого-цифровому преобразователю (рис. 18.12).

Вместо преобразователей погрешности аппроксимации, выдающих абсолютное значение разности Дхк! = x(ZA)-x{jAt)\, могут быть использованы адаптивные временные дискретизаторы, выдающие сигнал, когда \АХк\ достигает некоторого порогового значения.

Заметим, что при применении адаптивной коммутации возможно появление дополнительной погрешности, которая может быть вызвана одновременным появлением нескольких сигналов, требующих коммутации.

Представляется, что перспективным для адаптивного обслуживания большого количества источников может быть использование мультиплицированных измерительных схем и ассоциативная обработка информации.

18.4. КРАТКИЙ ОБЗОР ОСНОВНЫХ ХАРАКТЕРИСТИК ПРОМЫШЛЕННЫХ ТИС

Промышленные ТИС входят в многофункциональные системы телемеханики, выполняющие функции управления, контроля и измерения и могут быть охарактеризованы следующим образом.

Современные промышленные ТИС являются адресно-многоканальными системами, в которых каждому объекту выделяется индивидуальный временной или частотный КС. В них производятся объединение обслуживания групп объектов в контрольных и дис-петчерских пунктах, циклическая передача информации между объектами и контрольным пунктом. В таких ТИС имеются инициирующие источники и ириемники информации и выполняется приоритетное их обслуживание. Для защиты от помех в них используются контроль четности, циклические коды и др.; коды с исправлением ошибок имеют ограниченное применение.

При создании ТИС широко используются блочно-модульный .принцип построения, компоновочное проектирование из унифицированных блоков и устройств ГСП с расширяющимся применением микропроцессоров и микро-ЭВМ.

В агрегатный комплекс АСТТ ГСП входят несколько комплексов телемеханики. Приведем для иллюстрации основные характеристики двух типов комплексов [17.2-17.6]:

В управляющих вычислительных телекомплексах, входящих в состав второй очереди агрегатного комплекса средств телемеханической техники АСТТ-2, используется микро-ЭВМ Электроника-60 . В них реализуется сжатие сигналов при телеизмерении текущих параметров. Спорадический метод передачи в сочетании с предварительным экспоненциальным сглаживанием процессов .разгружает канал связи в несколько раз по сравнению с цикличес-

кой передачей ординат временной функции. На микро-ЭВМ возложено также помехозащищенное кодирование. В дополнение к традиционной централизованной организации информационных потоков в этих комплексах впервые реализована возможность построения информационных сетей произвольной конфигурации с-маршрутизацией сообщений и автоматическим поиском обходных грасс при нарушении канала связи. Это потребовало разработки довольно сложных программ. Применение микро-ЭВМ позволило-получить значительную экономию аппаратных средств, занятых, телеизмерениями.

Объект 7

ГЦР

Uo(s:Zi,AK)

Центр упрабления

I

ОЕьект п

Рис. 18.13. ТИС с цифровой разверткой:

ГЦР - генератор цифровой развертки

Работы ПО созданию теле-ИИС с использованием микропроцессорной техники, несомненно, приведут к новым, эффективным решениям.

В заключение остановимся на одном перспективном пути развития больших ТИС, обслуживающих значительное количество-удаленных друг от друга объектов исследования [17.8]. Этот путь-связан с централизованным формированием и передачей значений: образцовой величины, с которыми сравниваются измеряемые величины на всех объектах, обслуживаемых ТИС.

На рис. 18.13 показана ТИС с передачей из центра управления значений образцовой величины в виде последовательности двоичных кодовых комбинаций. На объектах исследования производится сравнение переданного кода со значениями измеряемых величин, и при их равенстве передаются на центр управления импульсы. При появлении импульсов е в центре управления фиксируются значения передаваемого в данный момент кода, а также адрес Di объекта, выдавшего импульс.

При радиальных ЛС выявление адреса объекта, выдавшего импульс, позволяющий определить значение измеряемой величины,

не представляет затруднений. При использовании магистральной связи необходимо сопровождать импульс адресом или применять другие способы его адресации. При очень больших расстояниях между объектами для адресации радиоимпульсов могут быть использованы интервалы времени их прихода. Итак,

LФ„ (1+ 1 (г,) {[I, (CR : z,j, z) о., [z,-, = z) X X i. {e) Ad, (1) I (S: 2 Dl)l (CR : z) (г„ = 2,) X X I {e) Ad ( ) I (S : Оя)]} (i = mf]-

По сути дела здесь используется пространственная мультипли-дированная структура, в которой применяется цифровая развертка образцовой величины. В таких структурах время преобразования зависит от количества т интервалов квантования образцовой величины по уровню и практически не зависит от того, сколько объектов исследований п обслуживает ТИС.

Вместо кодовой двоичной развертки может генерироваться последовательность импульсов, а на объектах с помощью пересчетных схем может быть получена цифровая развертка.

Наконец, для реализации коллективной развертки образцовой величины могут служить сигналы службы времени. Однако в этом случае нужно предусмотреть обеспечение единого для всей ТИС начала отсчета.

В качестве КС могут быть использованы радиоканалы как ближнего, так и дальнего действия, работаюшие на одной или различных частотах, радиальные и магистральные проводные и оптические КС. Интересна возможность использования для передачи цифровой развертки телевизионных каналов [17.8].

Часть пятая

ВВЕДЕНИЕ В СИСТЕМОТЕХНИЧЕСКОЕ ПРОЕКТИРОВАНИЕ ИИС

Глава 19

СОДЕРЖАНИЕ СИСТЕМОТЕХНИЧЕСКОГО ПРОЕКТИРОВАНИЯ ИИС

19.1. СТАДИИ ПРОЕКТИРОВАНИЯ ИИС

Перед началом проектирования нового технического изделия выявляются назначение, основные свойства, потребности, иногда основные идеи реализации и другие особенности, достаточные для принятия решения о проектировании этого изделия. В процессе проектирования нового технического изделия предлагаются, обосновываются, разрабатываются, оформляются и представляются в виде соответствующей документации и опытных образцов решения, обеспечивающие определенные свойства изделия при ограничениях, накладываемых на его стоимость, сроки проектирования, изготовления и т. п.

В соответствии с ГОСТ 2.103-68 выделяются следующие основные стадии разработки проекта: техническое задание (ТЗ), техническое предложение (с присвоением документации литеры П), эскизный проект (литера Э), технический проект (литера Т), рабо чая документация (литера Р). Ниже приводится содержание этих стадий применительно к проектированию ИИС и основных частей системы.

Начальная стадия проектирования ИИС объединяет разработку ТЗ, его согласование и утверждение. Техническое задание должно содержать следующие основные сведения, характеризующие проектируемую ИИС: основное назначение, технические характеристики, показатели качества, технико-экономические требования, стадии разработки, принятые в данном проекте, и их состав, включая программное, методическое и метрологическое обеспечение, а также специальные требования к системе.

К основным техническим характеристикам ИИС относятся метрологические (динамический и частотный диапазоны, погрешность, быстродействие, чувствительность, порог чувствительности), а также общетехнические (надежность, сложность, габариты, вес и т. п.) характеристики. В ТЗ должны быть приведены критерии оценки (показатели качества) этих характеристик.

в ТЗ, как правило, не указываются пути достижения постав ленных требований. - * -

Технические задания разрабатываются и согласуются при совместном участии заказчиков и проектировщиков. Доля их участия в разработке ТЗ может быть различной и зависит от особенностей проектируемой ИИС, ее назначения и последующего использования. Например, перед проектировщиком ИИС могут быть поставлены требования, направленные на выполнение задач конкретного измерительного эксперимента, или проектировщику даются заранее подготовленные ТЗ. В первом случае проектировщик на основании анализа требований конкретного эксперимента и современного состояния информационно-измерительной техники должен определить характеристики создаваемой ИИС, позволяющие выполнять эти требования, и согласовать их с заказчиком. Этот случай требует наибольшего участия проектировщика. В другом случае участие проектировщика заключается в предварительной оценке возможности реализации этого ТЗ, а при необходимости-в его уточнении и изменении.

В процессе проектирования ИИС может возникнуть необходимость в корректировке уже согласованного и утвержденного ТЗ. Такая корректировка может быть произведена только после соответствующего согласования с заказчиком.

Следующей основной стадией проектирования, предусмотренной ГОСТ 2.118-73, является разработка технического предложения на проектируемую ИИС. При разработке технического предложения предусматривается выполнение следующих этапов.

1. Подбор патентных материалов, определение патентоспособности проектируемой ИИС, анализ материалов по существующим системам, наиболее близким к проектируемой по назначению и характеристикам.

2. Предложение возможных вариантов реализации системы, удовлетворяющих ТЗ, сравнительная оценка этих вариантов и обоснование выбора наилучшего варианта. Варианты системы могут различаться по алгоритмам сбора и обработки информации, техническим и программным средствам, видам используемого интерфейса, модуляции сигналов и т. п. Сравнительная оценка вариантов должна выполняться с учетом критериев оценки показателей качества, определенных в ТЗ.

3. Разработка и анализ структурной схемы и алгоритма работы проектируемой системы.

4. Выбор функциональных блоков (ФБ) проектируемой системы. Для создания ИИС во многих случаях целесообразно использовать готовые, выпускаемые промышленностью ФБ, объединяемые в систему с помощью стандартного интерфейса. Такие системы, ориентированные на проведение конкретного измерительного эксперимента и включающие в свой состав мини-ЭВМ, микро-ЭВМ или микропроцессоры, а также измерительно-вычислительные комплексы, называются локальными измерительно-вычислительными системами (ЛИВС). Однако при проектировании ЛИВС не

всегда удается обеспечить ее всеми необходимыми ФБ и интерфейсными устройствами. В этом случае разработка таких ФБ может входить в проект системы или же выполняться вне рамок проекта.

5. Решение принципиальных вопросов метрологического, программного и методического обеспечения проектируемой ИИС.

На всех стадиях проектирования должны прорабатываться вопросы метрологичес1ого обеспечения создаваемой ИИС, включая не только методику использования соответствующих средств поверки, но, при отсутствии последних, и их разработку. В техническом предложении должны быть рассмотрены средства и методики, пригодные для поверки проектируемой системы. Если таких средств и методик нет, то необходимо решить вопросы выбора варианта их создания.

Большое значение имеет создание программного обеспечения проектируемой системы. На стадиях разработки технического предложения и эскизного проекта должны быть определены состав и основное содержание программного обеспечения, включая в первую очередь формальное описание работы системы. На стадиях разработки технического проекта и рабочей документации должны быть созданы все предусмотренные ТЗ рабочие программы Так же как и при построении аппаратурной части ИИС, при создании программного обеспечения желательно использовать модульный принцип, позволяющий наращивать и совершенствовать состав этого обеспечения.

Разработка методического обеспечения проектируемой ИИС на стадии технического предложения может содержать рекомендации по рациональному использованию проектируемой ИИС и т. п.

6. Рассмотрение и утверждение технического предложения. В результате выполнения предложения должен быть обоснован целесообразный путь реализации ТЗ. Предложение является основанием для эскизного или технического проектирования.

Стадии разработки технического задания и технического предложения можно отнести к системотехническому проектированию ИИС, особенностью которого является рассмотрение системы в целом с привлечением соответствующего математического аппарата. Эти стадии часто выполняются в виде научно-исследовательской работы, и в ней участвует относительно небольшое количество высококвалифицированных специалистов.

Дальнейшие стадии проектирования выполняются обычно в виде опытно-конструкторских работ (ОКР) и требуют привлечения большего числа исполнителей по сравнению с системотехническим проектированием.

Стадия эскизного проектирования (ГОСТ 2.119-73) предусматривает создание документации, содержащей принципиальные конструктивныерешения, которые дают общее представление об устройстве и принципе работы изделия. В необходимых случаях изготовляются и испытываются макеты изделия. Эскизный проект после согласования и утверждения служит основой для разработки технического проекта или рабочей документации. . .

Стадия технического проектирования (ГОСТ 2.120-73) связана с созданием документации, содержащей окончательные технические решения, дающие полное представление об устройстве разрабатываемой системы. Технический проект служит основанием для разработки рабочей конструкторской документации.

Завершающей стадией является стадия создания рабочей документации на проектируемую ИИС. Она состоит в разработке конструкторской документации на опытный образец системы (литера Oi), изготовлении опытного образца, проведении государЪ венных, межведомственных или других испытаний опытных образцов, последующих корректировок рабочей документации (литеры О2, Оз ...), подготовки рабочей документации и изготовлении установочной серии и массового выпуска новой ИИС.

Стадии эскизного, технического и рабочего проектирования можно отнести к системотехнической проработке требований ТЗ и выбранного в техническом предложении варианта системы, т. е. к реализации результатов системотехнического проектирования.

Проектирование конкретного изделия может содержать не все перечисленные стадии системотехнического проектирования. Определение состава стадий выполнения данного проекта делается при разработке ТЗ. Необходимость в стадиях эскизного, технического или рабочего проектирования особенно внимательно следует оценивать при создании ИИС путем набора стандартных ФБ, ИФ, ИВК. Такая разновидность проектирования получила название компоновочного. При компоновочном проектировании могут не потребоваться стадии эскизного и технического проекта и может также резко упроститься стадия рабочего проекта.

Умением разработать ТЗ, предложить работоспособный вариант системы и обоснованно выбрать готовые ФБ, программы и т. п., т. е. умением произвести системотехническое проектирование конкретной системы, включая компоновочное проектирование, должны обладать все специалисты в области информационно-измерительной техники.

Большинство ИИС может быть отнесено к системам средней сложности. При их системотехническом проектировании могут быть эффективно использованы как математическое, так и экспериментальное моделирование.

В предлагаемом варианте введения в системотехническое проектирование основная методика проектирования связана с формальным описанием функционирования системы с помощью СЛСА и анализом, в первую очередь, погрешности и быстродействия систем.

19.2. О ПРОЕКТИРОВАНИИ ПРОГРАММНОГО ОБЕСПЕЧЕНИЯ ИИС

Без соответствующего программного обеспечения (ПО) современные ИИС, включающие ЭВМ или средства микропроцессорной техники, работать не могут.

Программирование управления в системах с микро-ЭВМ весьма трудоемко, потому что необходимо преодолеть трудности, накла-

дываемые жесткими ограничениями на время реализации программ и емкость памяти. Hanf)&ep, вручную для составления программ, содержащих порядка 1000 команд, может потребоваться 10-17 человеко-месяцев (при использовании средств автоматизации программирования это время может уменьщиться на порядок и бблее).

Условно ПО ИИС можно разделить на ПО, создаваемое разработчиками ЭВМ и ИВК, и ПО, которое должно быть сделано пользователем ИИС для рещения конкретной задачи.

Мини-ЭВМ и в меньшей степени микро-ЭВМ оснащаются заводами-изготовителями ЭВМ ПО в виде операционных систем, позволяющих обеспечить многопрограммную работу с учетом приоритета задач, автоматическую диагностику компонентов ЭВМ, возможность программирования прикладных задач пользователя на языках высокого уровня.

Разработчики ИВК одновременно создают операционные системы, необходимые для работы комплексов, ПО для решения некоторых задач, характерных для ИИС, построенных на базе ИВК. Пользователь ИИС может применять типовые программы, разработанные для решения ряда распространенных задач (например-, задач обработки экспериментальных данных, планирования эксперимента и т. д.) Но пользователю ИИС нужно обязательно создавать ПО для реализации конкретных алгоритмов с помощью системы, содержащей необходимые устройства.

Один из путей создания ПО пользователя связан с применением языков высокого уровня и с отладкой программ иа больших ЭВМ, а также программно-аппаратных средств, предназначенных для автоматизации проектирования архитектуры и программ микропроцессорных систем. При проектировании ПО пользователя должны быть учтены СЛСА, разработанные для решения конкретных задач. В ряде случаев при относительно несложных СЛСА и при наличии разработанных микропрограмм выполнения компонентов СЛСА в ЭВМ могут быть получены завершенные программы (см. гл. 2).

Для программирования сложных СЛСА целесообразно использовать языки высокого уровня с последующей трансляцией в машинные коды. Эффективными в определенных направлениях являются проблемно-ориентированные языки. В частности, для программирования задач контроля и диагностики может быть полезным применение языка ТЕСТ [19.1].

Если в ИИС работает одна ЭВМ, связанная с несколькими источниками измерительной информации, то она, особенно при выполнении первичной обработки информации в режиме реального времени, часто оказывается перегруженной.

Ввиду этого и из-за упрощения (разделения) ПО, по-видимому, большее распространение будут иметь двухуровневые ИВК и ИИС. На первом уровне управление источниками информации и первичная обработка, в-шышая сжатие информации, будут осуществляться средствами микропроцессорной техники, а вторичная