на входе преобразователя получается сумма сигнала и шума. В преобразователе суммарный сигнал s(t)+n(t) возводится в квадрат, в результате чего образуется сигнал s(t)+2s(t)n(t)+n{t).. Усреднение этого сигнала дает

$2 (t)+2s it) п (О + 2 {t) = (О + n\t)

[так как сигналы s{t) и n{t) независимы, среднее значение их произведения равно нулю]. Из результата усреднения вычитается

Начало j

ВыполнитьЛнаблюдений.Зафиксировать их результаты: Л], Лз,..., А.,... ,А

Вычислить а - среднее арифметическое исправленных результатов наблюдений (результат измеренин)

ВычислитьЛотклонений от среднего: v.=A. -А^

Нет

Вычислить квадраты отклонений: = (А^ ~ ср

Вычислить оценку среднеквадратического отклонении по формуле (2.1)

Найти оценку относительной среднеквадратической погрешности 5,

Отобразить найденное значение на дисплее

Конец

измеренный ранее средний квадрат n{t) шумового сигнала и получаемая разность равна s(t). Извлечение преобразователем квадратного корня дает среднеквадратическое значение чистого полезного сигнала s{t), поскольку шумовая составляюш,ая скомпенсирована.

Следует заметить, что для осуш,ествления описанного принци-;па компенсации необходим измерительный преобразователь, позволяющий раздельно выполнять операции возведения в квадрат, усреднения и извлечения квадратного корня.

2.3. КОГДА ЦЕЛЕСООБРАЗНО ПРИМЕНЯТЬ МИКРОПРОЦЕССОРЫ?

Дать однозначный ответ на поставленный вопрос или, тем более, привести рецепт, как действовать в той или иной ситуации, е представляется возможным. В каждом конкретном случае вопрос об эффективности использования микропроцессора в проектируемом измерительном приборе решает разработчик прибора. Тем не менее анализ уже имеющихся приборов и литературных источников позволяет привести общие соображения, облегчающие юриентацию специалистам, перед которыми возникла дилемма: Применить микропроцессор или традиционное схемное решение в рамках жесткой логики? Они сводятся к тому, что использование микропроцессоров в средствах измерения оправданно в следующих типичных ситуациях:

1. Требуемое для решения задачи число интегральных схем (корпусов) т^ЗО (некоторые специалисты считают, что следует ориентироваться на микропроцессор при т^50).

2. Прибор должен быть многофункциональным, программируемым, необходима функциональная гибкость.

3. Предвидятся дальнейшие развитие измерительной системы, наращивание, расширение ее функций.

4. Измерительная система должна взаимодействовать с боль-1ШИМ числом входных и выходных устройств.

5. Требуется запоминание группы данных.

6. Предвидится фиксация в памяти большого числа логичес- ких состояний.

7. Используются алгоритмы косвенных и совокупных измерений, а вычислительные процедуры должны быть автоматизиро-:ваны.

8. Обязательны высокие метрологические характеристики, трудно достижимые или не достижимые обычными путями.

9. Требуются самокалибровка и самодиагностика.

10. Статистическая обработка результатов измерений должна быть органической частью измерительной процедуры и должна выполняться автоматически.

11. Значения погрешностей измерений должны определяться по ходу измерения и отображаться на дисплее прибора.

12. Необходимо выполнение математических функциональных

Ш

преобразований, таких как линеаризация зависимости, квадриро-вание, нахождение отношений значений двух величин, выражение результата измерения в децибелах и т. п.

13. Требуются новые возможности прибора, которые могут быть осуществлены только с помощью микропроцессора.

14. Быстродействие микропроцессора достаточно высоко для работы проектируемого средства измерения в реальном масштабе времени, а если он не удовлетворяет этому требованию, то приемлемо применение мультимикропроцессорной системы, позволяющей получать необходимое быстродействие.

15. Велик объем измерений, и при их выполнении требуется высокая производительность.

2.4. ЧТО ОСЛОЖНЯЕТ И ОГРАНИЧИВАЕТ ИСПОЛЬЗОВАНИЕ МИКРОПРОЦЕССОРОВ В СРЕДСТВАХ ИЗМЕРЕНИЯ?-

Отвечая на поставленный вопрос, следует отметить, что имеются причины субъективного и объективного характера. К основным из них относятся:

Психологический барьер. Среди специалистов, которые еще невошли в соприкосновение с микропроцессорами, есть люди, скептически полагающие, что микропроцессорная полоса подобна быстро проходящей моде. Они не осведомлены о том, что микропроцессоры вошли всерьез и надолго в различные области техники и особенно в контрольно-измерительную технику, что микропроцессоры определяют уровень научно-технического прогресса-не только сегодняшнего и завтрашнего дня, но, как считают авторитетные отечественные и зарубежные специалисты, будут играть, большую роль и в технике XXI века. Залогом этому служит все расширяющееся и углубляющееся применение микропроцессоров быстрые темпы создания более совершенных моделей, открывающих все новые и новые возможности построения оригинальных устройств с удивительными свойствами.

Отмеченная группа невелика. Значительно более многочисленна группа специалистов, которая, допуская перспективность микропроцессорной техники, неправильно оценивает микропроцессоры и условия, при которых их целесообразно применять. Многие представители этой группы полагают, что микропроцессоры - очень сложные и экономически невыгодные устройства. Этих специалистов, мыслящих категориями больших ЭВМ, смущает (чтобы не-сказать - пугает) неполнота загрузки микропроцессора. Такие взгляды, по-видимому, обусловлены недоразумениями, поверхностным знакомством с микропроцессорной техникой. Несомненно что изучение микропроцессоров, проникновение в микропроцессорный мир поможет понять, во-первых, что сами микропроцессоры и многие компоненты микропроцессорных комплектов - недорогие устройства, и, во-вторых (это, пожалуй, еще важнее), что в очень многих устройствах наличие микропроцессорной системы оправданно, даже если ее вычислительные возможности использу-

чотся всего на несколько процентов, так как не только техничес жие, но и экономические выгоды, достигаемые в результате применения такой системы, могут во много раз превысить ее стоимость. Более того, как уже отмечалось, введение микропроцессор- ой системы в средства измерения нередко позволяют существен-яо снизить их стоимость по сравнению с приборами, имеющими .аналогичные характеристики (если они достижимы без микропро-дессоров), но выполненные по схемам с жесткой логикой. К сказанному следует добавить, что микропроцессоры бесценны в тех -случаях, когда только на их основе возможны выполнение поставленных требований, достижение новых свойств устройства.

Хочется пожелать указанным специалистам - как можно скорее преодолеть психологический барьер и ощутить всю полноту преимуществ приборов, содержащих микропроцессоры.

Трудности выбора базового микропроцессора. Промышленность уже выпускает много типов микропроцессоров, и число новых разработок лавинообразно нарастает. Нередко говорят о высоких темпах появления новых поколений микропроцессоров. Но, в от личие от ЭВМ, у которых каждое последующее поколение по основным технико-экономическим показателям превосходит предыдущее и обычно вытесняет его, микропроцессоры всех поколений сосуществуют и взаимно дополняют (а не вытесняют) друг друга. Так, например, появление 16- или 32-разрядных микропроцессоров, ничуть не уменьшив роли 8-разрядных микропроцессоров, расширило круг решаемых задач, позволило повысить быстродействие устройств, открыло возможности получения новых свойств разрабатываемых систем. Более того, иногда микропроцессорные комплекты, характеризующиеся одинаковой разрядностью микропроцессора, различаются по быстродействию, емкости запоминающих устройств. Очевидно, что каждый из этих микропроцессорных комплектов может с одинаковым успехом быть использован в своем проектируемом приборе в соответствии с решаемой задачей, заданными характеристиками прибора.

Но это еще не все. Дело в том, что-появление большого числа типов универсальных микропроцессоров вовсе не уменьшило количества разработок специализированных микропроцессоров, которые рассчитаны на конкретные применения и часто оптимизированы по различным параметрам. Поэтому далеко не всегда постав-.ленные задачи должны решаться с помощью универсального микропроцессора. Нередки ситуации, когда намного эффективнее специализированный микропроцессор. Так, операция перемножения .двух однобайтовых чисел универсальным микропроцессором, структура которого предопределяет вычисления по программе сложе--ние со сдвигом , требует значительного времени. Например, микропроцессор, характеризуемый быстродействием 1 млн. регистровых операций в секунду перемножает два однобайтовых числа примерно за 50 мкс (могут быть колебания в зависимости от программы). В то же время специализированные микропроцессоры, выполняемые в однокристальном исполнении, - матричные пере-.56

множители (в отечественной литературе их также называют арифметическими расширителями) - обладают гораздо более высоким^-быстродействием: два 8-разрядных числа они перемножают за: интервал времени, не превышающий сотых долей микросекунды.. Поэтому в ситуациях, когда необходима высокая скорость перемножения, исключительную ценность представляет специализированный микропроцессор.

Выпускаются большие интегральные схемы, выполняющие быстрое преобразование Фурье, монолитные корреляторы, схемы, представляющие однокристальное сочетание АЦП и микропроцессора, аналоговый микропроцессор и т. п.

Обилие разнообразных микропроцессорных средств, не всегда с достаточной полнотой освещенных в справочных изданиях, хотя и представляет большие возможности, несомненно, осложняет процедуру выбора базового микропроцессора для проектируемого-средства измерения. Рекомендации общего плана по выбору микропроцессора содержатся в [4, 10, 18, 22].

Ограниченное быстродействие микропроцессоров. Рассматривая вопрос о применении микропроцессора, следует внимательно проанализировать его быстродействие, выяснить, достаточно ли оно для решения сформулированной задачи. При этом важно правильно ориентироваться в справочных данных, характеризующих быстродействие микропроцессора.

В общем плане по аналогии с ЭВМ быстродействие микропроцессора интерпретируется как средняя скорость выполнениям некоторого алгоритма. Очевидно, что эта усредненная характеристика может довольно сильно расходиться с числовым значением скорости выполнения алгоритма, определяющего последовательность выполнения операций для решения конкретной задачи.

В справочниках наиболее часто быстродействие микропроцессора характеризуют числом операций регистр-регистр в секунду или продолжительностью выполнения одной операции. Под такой операцией понимают короткую операцию сложения содержимого регистра R и содержимого аккумулятора с последующей пересылкой результата в регистр R (отсюда название операция типа RR или операция регистр-регистр ). Эта характеристика не дает полного представления о быстродействии микропроцессора при выполнении различных вычислительных процедур, совокупность которых определяет решение задачи.

Наряду с указанной характеристикой в справочниках фигурирует и другая косвенная характеристика быстродействия микропроцессора - тактовая частота. Это частота сигналов тактового генератора (см. рис. 1.3). Например, тактовая частота у микропроцессорного комплекта КР580 составляет 2 МГц, а у комплекта К1800 она существенно выше: 36 МГц [22]. Однако следует учитывать, что в течение одного такта микропроцессоры разных типов могут выполнять неодинаковое число микроопераций, причем продолжительность одной из них может отличаться от продолжительности другой.

Программное обеспечение. При разработке измерительных систем и приборов, содержащих микропроцессоры, наибольшую трудность представляет программное обеспечение, о котором уже шла речь в гл. 1. Сложность решения этой задачи определяется:

необходимостью овладения спецалистами в области электроники, хорошо знающими микропроцессоры, искусством программирования микропроцессорных систем, в частности умением рационально выбрать язык программирования;

большим разнообразием программ, которые с достаточной полнотой удовлетворили бы потребности различных пользователей прибора;

высокой стоимостью программного обеспечения, во много раз превышающей аппаратурные затраты;

трудностью отладочной процедуры, требующей применения специальных средств отладки программ.

В определенной степени задачу программного обеспечения вновь создаваемых устройств облегчает наличие уже разработанных пакетов прикладных программ для широко используемых микропроцессоров.

Умение программировать - это большое духовное богатство, признак высокой квалификации специалиста. Тем, кто еще не оценил по достоинству важность овладения программированием, возможно будет способствовать этому высказывание известного английского эколога Дж. Джефферса [14]: Главное - если вы еще не умеете программировать для ЭВМ, начинайте учиться! Это обучение не будет легким - оно потребует точности мышления, строгости выражений, определенной доли прагматизма. После того, как вы овладеете начальными этапами, программирование скорее всего покажется вам более увлекательным и захватывающим занятием, чем разгадывание кроссвордов, игра в бридж или шахматы. Умение, которое вы приобретете, откроет вам двери в ту многочисленную литературу по системному анализу, которая никогда не будет опубликована, но которая существует в виде машинных программ и алгоритмов .

Проблема испытаний, контроля, диагностики. Она должна решаться на стадии проектирования средства измерения. Основные трудности связаны с тем, что традиционные измерительные и испытательные приборы, широко применяемые в аналоговой технике (осциллографы, вольтметры и т. п.) неэффективны для испытания и диагностики микропроцессорных систем.

За последние годы разработаны специальные приборы, позволяющие успешно тестировать средства измерения, содержащие микропроцессоры. Однако ориентация на определенный тип тестирующего прибора должна быть произведена еще при проектировании средства измерения с учетом условий его эксплуатации и квалификации обслуживающего персонала. Вопросам тестирования микропроцессорных систем посвящена гл. 7. SS

Глава третья. ИНТЕРФЕЙСЫ для ИЗМЕРИТЕЛЬНЫХ СИСТЕМ

3.1. ВВОДНЫЕ ЗАМЕЧАНИЯ

Появление интерфейса радикально изменило принципы построения сложных систем сбора и обработки информации, автоматизации эксперимента - измерительных информационных систем, послужило основой создания измерительно-вычислительных комплексов. Большое значение интерфейса для современных сложных технических устройств подчеркнуто в [18], где в качестве эпиграфа к первой главе выбраны слова: Наука проектирования . . . определяется относительной простотой интерфейса... . Хотя первое знакомство с интерфейсами, применяемыми в микропроцессорных системах, уже состоялось в гл. 1, но это знакомство было беглым и односторонним, а следовательно, недостаточным для представления места и роли интерфейса в современной измерительной технике. Поэтому задача настоящей главы - сообщить минимум сведений, необходимых для понимания того, как организуются измерительные системы, какие задачи решаются интерфейсом, на каких принципах он строится, что представляет собой его схема, в чем заключаются интерфейсные функции.

3.2. АГРЕГАТНЫЙ ПРИНЦИП ПОСТРОЕНИЯ ИЗМЕРИТЕЛЬНЫХ СИСТЕМ

Наиболее рациональный принцип построения систем обработки информации и в том числе измерительных автоматических систем (измерительно-вычислительных комплексов) - принцип агрегатирования. Его сущность заключается в том, что система выполняется как агрегат, состоящий из независимых функциональных блоков- модулей. Каждый блок (модуль) имеет конструктивную законченность. В качестве примеров функциональных блоков можно назвать аналого-цифровой и цифро-аналоговый преобразователи, цифровой вольтметр, цифровой частотомер, измерительный генератор, алфавитно-цифровое печатающее устройство, таймер, дисплей, терминал и т. п.

Многообразие систем, построенных на агрегатном принципе, достигается путем использования различных сочетаний, комбинаций модулей. Предусматривается возможность наращивания структуры системы в процессе эксплуатации. Иногда модули объединяют в группы, называемые крейтами (например, в системе КА-МАК). Управление работой системы осуществляют контролле-р ы, координирующие и контролирующие действия отдельных устройств.

При построении агрегатированных систем должны быть реше-

иы две основные задачи: совместимости и сопряжения модулей как между собой, так и с внешними устройствами).

Пожалуй, впервые с элементарной конструктивной совместимостью многие читатели познакомились еще в детстве, собирая дом , трактор и другие машины из пластмассовых или металлических блоков Юного конструктора . В более зрелом возрасте каждый из нас сталкивается с необходимостью электрической совместимости при подключении всевозможных электрических приборов к питающей сети. Пренебрежение отсутствием электрической совместимости влечет за собой малые или большие неприятности. Они сравнительно безобидны, если включить, например, стиральную машину, рассчитанную на питание от сети напряжением 220 В, в сеть напряжением 127 В (машина просто не будет работать). Много хуже последствия в противоположной ситуации, когда рабочее напряжение устройства меньше напряжения в питающей сети.

Для разработчика агрегатированной системы проблема совмес- тимости модулей представляет немалые трудности. Ее успешное преодоление - залог нормального функционирования системы, возможности эффективного ее развития в процессе эксплуатации.

Применительно к измерительным информационным системам (измерительно-вычислительным комплексам) различают пять видов совместимости:

информационную - согласованность входных и выходных сигналов модулей по видам и номенклатуре, информативным параметрам, уровням. Для информационных взаимосвязей модулей приме-!няют сигналы нескольких разновидностей: информационные, управляющие, программные, адресные, специальные;

конструктивную - согласованность конструктивных параметров, механических сопряжений модулей при совместном использовании, а также согласованность эстетических требований. При этом система или ее часть должна представлять единое целое;

энергетическую - согласованность напряжений и токов, питающих модули, линий сети переменного тока, батарейной линии и рабочей линии, связывающей модули с центральным блоком питания;

метрологическую - сопоставимость результатов измерений, ра-диональный выбор и нормирование метрологических характеристик модулей, а также согласование входных и выходных цепей;

эксплуатационную - согласованность характеристик модулей по надежности и стабильности, а также характеристик, определяющих ]влияние внешних факторов.

Преимущества принципа агрегатирования (модульности) наиболее полно проявляются, если любые модули системы можно состыковать и объединить в систему без конструктивных изменений (доработок). Для этого должно быть унифицировано сопряжение между модулями. Такое сопряжение модулей между собой и с устрой., ствами обработки достигается посредством интерфейса.

3.3. КЛАССИФИКАЦИЯ ИНТЕРФЕЙСОВ

В узком смысле интерфейсом (от англ. interface - сопрягать, согласовывать) называют устройство сопряжения, в широком смысле под интерфейсом понимают совокупность механических, электрических и программных средств, позволяющих объединять модули в систему.

Известно большое число интерфейсов, разработанных в разных странах. Все множество интерфейсов в зависимости от назначения можно разделить на три типа: машинные, системно-модульные и системно-приборные.

Под машинными интерфейсами подразумевают такие интерфейсы, которые решают задачу соединения центрального процессора ЭВМ данного типа с другими ее функциональными блоками, а также подключения периферийных устройств, в том числе устройств связи с объектом. Особенности ЭВМ практически полностью определяют как электрические и конструктивные характеристики интерфейса, так и принципы его функционирования.

К системно-модульным относят интерфейсы, решающие задачу унификации сопряжения модулей (функциональных блоков), предназначенных для работы в системе, что определяет и их конструктивные особенности. Модули, выполненные с учетом применения подобного интерфейса, как правило, не рассчитаны на использование в качестве автономных приборов, которые могут работать отдельно, вне системы.

Системно-приборные интерфейсы осуществляют объединение в систему модулей -приборов, которые могут работать автономно и для которых характерны значительные функциональные возможности (измерения ряда параметров, различные режимы работы, программируемость и т. п.). KoncxpjKTHBHbie требования к интерфейсам этого типа, как правило, касаются лишь разъемов,.

Интерфейсы, предназначенные для измерительной техники, иногда сокращенно называют измерительными интерфейсами, подобно тому, как генераторы сигналов для измерений характеристик различных испытуемых объектов называются измерительными генераторами. Измерительные интерфейсы, решая задачу сопряжения, обеспечивают пять перечисленных видов совместимости и взаимодействие процессоров с измерительной и периферийной аппаратурой, которая также взаимодействует с устройствами сбора, накопления, регистрации и обработки информации.

Стандартные интерфейсы можно классифицировать в зависимости от схемы соединения модулей между собой и с центральным модулем (устройством обработки) системы. Различают три основные схемы соединений: каскадную, радиальную и магистральную.

Каскадная схема. Эта схема (рис. 3.1,а) применима, когда общий поток информационных сигналов в каждый данный момент времени связывает между собой только один объект исследования, один источник испытательных сигналов и один измерительный при. бор (на рис. 3.1,0 надпись Ик обозначает интерфейс каскадный),

tr Модуль

Модуль

Центральный модуль

Интерфейс радиальный

и

И

и

- р

Рис. 5./

Радиальная схема. Как видно из рис. 3.1,6, такая схема характерна для случая, когда к центральному модулю (устройству обработки измерительной информации) необходимо подключать несколько модулей. При этом модули присоединяются непосредственно (без коммутатора), поскольку центральный модуль располагает достаточным числом каналов для обмена данными.

Магистральная схема. Если число каналов у центрального модуля меньше требуемого числа, то отдельные модули связывают с центральным модулем через общую магистраль (см. рис. 3.1,в) с последовательным во времени адресным обращением. При каждом обращении (опросе) к центральному модулю подключается только тот модуль, адрес которого вызывается программой.

Возможны и комбинированные схемы: каскадно-радиальная и каскадно-магистральная. Для соединения функциональных блоков или приборов между собой служат цепи, называемые линиями интерфейса. Группу линий, предназначенных для выполнения определенной функции в программно-управляемом процессе передачи данных, называют шиной. Назначение отдельных шин и линий^ их перечень и взаимное расположение (топология) играют основополагающую роль при рассмотрении работы интерфейса.

3.4. ЦИФРОВОЙ ИНТЕРФЕЙС МЭК

Общие сведения. Этот интерфейс называют также интерфейсом IEEE-488 (аббревиатура слов Institute of Electrical and Electronics Engineers) или HP-IB (Hewlett-Paclard Interface Bus); встречается также название интерфейса GPIB (General Purpose Interface Bus - интерфейсная шина общего назначения). Международная электротехническая комиссия (МЭК) рекомендовала интерфейс HP-IB в качестве международного стандарта. Согласно ГОСТ 26.003-80 [9] в нашей стране принят стандартный интерфейс, соответствующий рекомендации МЭК.

Интерфейс разработан для программируемых и непрограммиру-