БЫСТРОДЕЙСТВИЕ АКИС С ШИНОЙ IEEE-488

Работу интерфейса КОП в каждом измерительном цикле можно представить поэтапно:

Этап конфигурирования: Формирование системным контроллером (компьютером) измерительной системы (конфигурирование)

1. Инициализация подключенных к КОП приборов, проверка работоспособности системы. Сброс в исходное состояние по команде ОИ.

2. По команде УП по шине данных последовательно передаются адреса приемников и индивидуальная программная информация. Передаются команды о пределах измерений, параметрах генерируемых сигналов и т.д. В конце конфигурирования измерительной системы передается адрес источника – прибора, который будет передавать.

Этап измерения: Выполнение программы измерений

1. Контроллер снимает сигнал с линии УП и реализуется программа измерений. При необходимости может передаваться команда запуска.

2. Прерывается режим общего управления и вступает в действие механизм управления побайтной передачей измерительных данных от источника к приемникам. Обычно приборы передают в компьютер результаты измерений. Вместе с последним байтом прибор передает сигнал конца передачи (КП).

3. Контроллер восстанавливает сигнал УП и продолжает общее управление системой. Последовательно опрашиваются результаты измерений всех приборов, задействованных в данном цикле работы.

Этап обработки: Обработка измерительной информации

1. Вместе с опросом результатов измерений приборов системный компьютер осуществляет предварительную обработку данных: декодирование, масштабирование, нормирование и т.д.

2. После получения данных всех приборов ПК проводит комплексную обработку массива информации. Могут быть найдены их взаимосвязь, сумма, отношение и т.д.

Число измерительных циклов соответствует числу измеряемых параметров. После выполнения всех запланированных циклов контроллер обрабатывает информацию в целом и формирует заключение о состоянии объекта контроля. В зависимости от условий испытаний окончательное решение по дальнейшим шагам может приниматься или контролироваться оператором.

Полученные в результате обработки данные могут быть сохранены, распечатаны, переданы другим пользователям, применены в системах управления технологическим процессом и т.д.

Быстродействие измерительной системы зависит от ее архитектуры, алгоритмов настройки и измерения, возможностей приборов и контроллера, языка общения и программ обработки данных. Рассматривая быстродействие измерительных систем, необходимо разделить их на две основные группы: системы без автоподстройки и системы с автоподстройкой.

А. СИСТЕМЫ БЕЗ АВТОПОДСТРОЙКИ

Совокупное время измерения параметра i, не требующего дополнительных шагов для выхода в рабочую точку, можно представить в виде суммы:

 Т_i = T_{конф i} + Т_{изм i} + T_{пер i} + T_{обр i} + T_{польз i} ,

где Т_{конф i} – время конфигурирования измерительной системы из подключенных к шине приборов для измерения i-го параметра;

T_{изм i} – время измерения i-го параметра в соответствии с выбранным алгоритмом;

T_{пер i} – время передачи информации контроллеру;

T_{обр i –} время обработки информации;

T_{польз i –} время взаимодействия с пользователем информации.

Полное время измерения системы параметров определяется совокупным временем измерения каждого параметра (рис. 2.11), а также дополнительными затратами на подключение объекта (t_подкл) и общую обработку информации (t_общ):

_N

 Т_пойлн = å Т_åi + t_подкл + t_общ.

 ⁱ⁼¹

1. Конфигурирование измерительной системы

При конфигурировании измерительной системы приборы инициализируются, устанавливаются в требуемые режимы работы и программируются на выполнение заданных функций. В зависимости от вида прибора это время может быть от сотен микросекунд до десятков миллисекунд.

Рис. 2.11. Диаграмма затрат времени

на измерение группы параметров

Следует обратить внимание, что использование внутренней автоматики приборов обычно увеличивает время выхода в рабочий режим, так как требуется дополнительные шаги на автоподстройку модулей системы. Например, режим автоматического выбора предела (АВП) вольтметра предполагает сравнение сигнала с нижним и верхним пороговыми уровнями измерения на нескольких шкалах, начиная с наибольшего предела измерения до выхода в рабочий диапазон.

2. Время измерения

Если прибор находится в режиме многократных измерений, тогда на быстродействующие преобразователи влияние оказывает задержка начала измерения по отношению к готовности системы, как показано на рис. 2.12.

Рис. 2.12. Задержка начала измерения

В установившемся режиме прибору на измерение требуется время, которое определяется принципом работы первичного и аналого-цифрового преобразователей. Наибольшей инерцией обладают тепловые и механические преобразователи. Например, калориметрический преобразователь может затрачивать на измерение до единиц минут. Все "интегрирующие" приборы работают медленно.

3. Время передачи данных

Передача данных осуществляется побайтно. Максимальная скорость передачи в соответствии со спецификацией IEEE-488.1 достигает 1 Мбайт/с [1]. Обычно скорость передачи данных не ограничивает быстродействие системы. Исключением являются лишь случаи больших информационных потоков, например, при работе в реальном масштабе времени. Фирма National Instruments предложила в 1993 году дополнения к стандарту IEEE-488.1 в виде патентованного протокола скоростной передачи информации hs488 (high-speed).

Стандарт IEEE-488.1 с трехпроводной системой асинхронной передачи данных требует, чтобы приемник, установив сигнал ГП, ожидал подтверждения источником истинности каждого байта на линии СД и только затем обрабатывал байт информации, выставляя на линии сигнал ДП, разрешающий установку следующего байта. При этом байт нельзя передать за время меньшее, чем требуется на распространение сигналов по цепочке: приемник (ГП) – источник (СД) – приемник (ДП) – источник (новый байт на шине данных).

Протокол hs488 увеличивает производительность системы, удаляя задержки распространения сигналов. Сначала все приемники устанавливаются в состояние “Готов к приему”. Далее источник формирует импульсный сигнал на линии ГП, который открывает протокол скоростной передачи. Это существенное отличие hs488, так как типовая процедура предполагает, что линией ГП управляют только приемники. Затем источник сообщений помещает байт на шину данных, ждет в течение предварительно запрограммированного времени и устанавливает сигнал СД. Далее источник снимает сигнал истинности данных и устанавливает следующий байт данных. Приемники устанавливают сигнал ДП и не снимают его в течение времени, когда передаетсяблок данных.

Байты передаются в синхронном режиме без ожидания подтверждающих сигналов. Если какой-то приемник не успевает принять данные в установленном темпе запрограммированных задержек, тогда он останавливает процесс передачи, и источник переходит в обычный режим асинхронного обмена. Установка программируемых интервалов задержек осуществляется с учетом конфигурации системы. На среднюю скорость передачи информации значительное влияние оказывает архитектура контроллера и размер передаваемого сообщения. Для двух модулей, соединенных кабелем длиной 2 м, максимальная скорость передачи данных достигает 8 Мбайт/с. Для полностью загруженной системы с 15 устройствами и 15 м кабеля скорость передачи может достигать 1,5 Мбайт/с.

4. Время обработки данных

Эта составляющая определяется быстродействием процессора и особенностями обработки данных. Наиболее трудоемкими являются задачи решения систем уравнений, прямого и обратного преобразования Фурье, графических преобразований. Слабые возможности компьютера при решении сложных математических и графических задач могут потребовать затрат времени до десятков секунд. Однако для большинства обычных измерений на обработку результатов требуется от единиц до сотен миллисекунд.

5. Время взаимодействия с пользователем

Если процедура измерения, обработки данных или принятия решения рассчитана на непосредственное участие человека, то высокого быстродействия получить уже нельзя. Вместе с тем не все можно предусмотреть программно, и в наиболее ответственных случаях последнее слово остается за человеком, который, в отличие от ПК, обладает интуицией.

Б. СИСТЕМЫ С АВТОПОДСТРОЙКОЙ

Если в процессе работы необходима автоподстройка системы, например поиск экстремума или точки пересечения, то время измерения в значительной степени зависит от алгоритма выхода в рабочий режим.

Примерами задач измерения функционалов положения и протяженности “обобщенного импульса” являются исследования диаграмм направленности антенн, амплитудно-частотных характеристик линейных четырехполюсников, спектральных функций и некоторых других характеристик. Функционал положения определяет расстояние вдоль оси аргумента от начала координат до “центра” функции. Функционал протяженности характеризует протяженность или ширину функции. Известны следующие методы измерения “обобщенного импульса”:

- метод выбранных точек или условных уровней, основанный на достаточно произвольном способе выбора значений функции;

- метод моментов, определяющий “центр тяжести” и “дисперсию”;

- метод нормированных функционалов.

Наиболее широкое распространение получил метод выбранных точек или условных уровней, благодаря возможности оценки функционалов по привычным графикам. Примерами функционалов положения и протяженности являются: центральная частота и полоса пропускания на уровне 3 дБ амплитудно-частотной характеристики четырехполюсника; направление максимума главного лепестка и ширина диаграммы направленности антенны на уровне половинной мощности.

В специализированных автоматизированных приборах изменение аргумента осуществляется непрерывно и на экране панорамного индикатора вычерчивается исследуемая характеристика. Дискретное изменение аргумента в цифровых приборах вынуждает выбирать шаг квантования в соответствии с требуемой разрешающей способностью или точностью измерений. Большое число точек отсчета резко замедляет оцифровывание характеристики.

Для повышения быстродействия систем с автоподстройкой методы измерения функционалов положения и протяженности должны базироваться на оптимальных алгоритмах поиска точек отсчета. Поскольку при каждом измерении информация передается в контроллер и там анализируется для коррекции следующего шага, время полного измерения для k шагов автоподстройки системы будет иметь вид:

 Т_åi = T_{конф i} + k(Т_{изм i} + T_{пер i} + T_{ан i}) + T_{обр i} + T_{польз i} ,

где T_{ан i} – время анализа и обработки каждого измерения.

Для выхода в рабочий режим измерения может использоваться метод последовательного приближения. Наиболее простой является процедура пошагового интерполирования и взвешивания.

Общие рекомендации по повышению быстродействия:

1) по возможности исключать автоматику медленных приборов (выбор полярности, автоматический выбор предела);

2) минимизировать задержку пуска;

3) оптимизировать алгоритмы взаимодействия модулей и конфигурации системы для каждого измерения;

4) использовать высокоскоростной протокол hs488 и двоичный формат передачи данных;

5) совмещать обработку данных с другими задачами (например, установкой приборов в номинальный режим);

6) программировать системы в машинных кодах с применением ПЗУ для минимизации времени загрузки;

7) применять приборы с более высоким быстродействием;

8) по возможности исключать участие оператора из цикла работы;

9) оптимизировать алгоритм автоподстройки системы в точку измерения.