автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.05, диссертация на тему:Базовые модули сбора-обработки данных для построения аппаратуры автоматизации физического эксперимента с одновременным количественным контролем основных параметров

На правах рукописи

ООЭ

Самосадный Алексей Валерьевич

Базовые модули сбора-обработки данных для построения аппаратуры автоматизации физического эксперимента с одновременным количественным контролем основных параметров

Специальность 05.13 05 - Элементы и устройства вычислительной техники и систем управления

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва - 2008

003163554

Работа выполнена в Московском инженерно-физическом институте (государственном университете).

Научный руководитель-

кандидат технических наук, доцент В. М. Немчинов

Официальные оппоненты.

доктор технических наук, профессор В.Г. Домрачев кандидат технических наук, с.н.с. Е.А. Мелешко

Ведущая организация:

ФГУП «ВНИИА» им. Н.Л.Духова Федерального агентства по атомной энергии.

Защита диссертации состоится 28 февраля 2008 года в 10 час. 00 мин. на заседании диссертационного совета Д002.078.01 в ИППМ РАН по адресу: 124681, г. Москва, г. Зеленоград, ул. Советская, д.З.

С диссертацией можно ознакомиться на сайте ИППМ РАН www.IPPM.ru и в библиотеке ИППМ РАН.

Автореферат разослан 28 января 2008 года

Ученый секретарь диссертационного совета Д002.078.01

К.Т.Н.

А.И. Корнилов

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. В современной аппаратуре, установках, различных системах управления применяется блочно-модульный принцип их построения, а также персональная ЭВМ (ПЭВМ) и микропроцессорные решения (МП) в структуре систем сбора-обработки данных (СОД) Имеются ограничения и недостатки в работе систем с использованием ПЭВМ и микропроцессорной техники Эти ограничения связаны, например, с влиянием шумов ПЭВМ, МП и линий связи на аналоговые компоненты, приводящие к деградации итоговых параметров устройств по точности и быстродействию, с проблемами реализации многозадачности (широко применяется режим обработки с разделением времени), с отсутствием надлежащего рестарта и обеспечения режимов работы в реальном масштабе времени (РВ) для большинства ПЭВМ и пр

В настоящее время отсутствует, как таковая, единая теория, позволяющая проводить с ее помощью оценки взаимного влияния блоков систем СОД, с получением на ее основе итоговых параметров систем Точность систем с использованием готовых измерительных блоков «взятых с полки» (COTS), применяемых, например, в АСУ ТП, может составлять до 1%-3% Налицо несоответствие итоговых параметров систем с потенциально достижимыми параметрами, исходя из возможностей современной элементной базы Отсутствует методика проектирования систем СОД с использованием COTS-решений, проводимого с учетом взаимного влияния блоков и достижением предельных комбинированных параметров по точности и быстродействию

Цель диссертации - разработка базовых модулей систем СОД и методов их применения, позволяющих добиться максимально возможного приближения конечных параметров систем по точности и быстродействию к предельно достижимым, исходя из возможностей современной элементной базы, а также обеспечить решение измерительных задач аппаратуры автоматизации физического эксперимента с одновременным количественным контролем основных параметров, проектируемой с использованием комбинации стандартных типовых модулей «взятых с полки» (COTS) и специально разработанных базовых и вспомогательных модулей СОД. В частности, требуется разработать методы и средства снижения влияния отрицательных факторов, присущих использованию ПЭВМ и МП в автоматизированных измерительных системах реального времени (АИС РВ), при сокращении сроков и стоимости выполнения работ

Для достижения поставленной дели решались следующие задачи.

1 Изучение и анализ основных методов и средств, используемых для построения систем СОД, а также достоинств и недостатков используемых существующих известных решений

2 Анализ систем СОД, блочного и компонентного состава, методов и средств обработки сигналов, а также влияния цифровой части на аналоговую части систем с использованием расчетных оценок, компьютерного моделирования и макетирования блочных решений систем

3 Разработка состава базовых средств построения систем СОД АИС РВ, разработка архитектуры и схем базовых процессорных блоков, а также методики их использования

4 Разработка и реализация схем нескольких характерных систем СОД АИС РВ с использованием новых методов и средств реализации систем Анализ полученных параметров

Научная новизна диссертации, выносимая на защиту.

1 Основная схема реализации систем СОД АИС РВ с использованием центрального звена систем СОД Критерий обоснованности применения блочно-модульных решений в качестве базовых средств центрального звена систем СОД АИС РВ, состав базовых средств и особенности их применения

2 Схемы базовых блочно-модульных решений, обеспечивающие возможность удовлетворения повышенных требований к параметрам систем по точности и быстродействию при снижении номенклатуры используемых блоков в предложенной основной схеме реализации систем СОД АИС РВ Полученные параметры указанных блоков и систем на их основе Критерий результативности (успешности) применения проектных решений для систем СОД АИС РВ

3 Функциональная модель систем СОД АИС РВ с использованием базовых блоков, отличающаяся детальным описанием взаимного влияния блоков систем СОД.

4 Методика проектирования систем СОД АИС РВ с использованием базовых блоков

Практическая значимость результатов работы.

1 Применение контроллеров серии РЯС, разработанных с использованием материалов диссертации, позволяет проектировщику систем проводить основные изменения и настройки систем СОД путем модификации схемы и ПО контроллеров, а также количества контроллеров, подключаемых к ПЭВМ по сети Такие решения не затрагивают основную аппа-

ратно-программную реализацию ПЭВМ, что позволяет эффективно применять различные типы ПЭВМ как базовые стандартные блоки (покупное изделие «с полки»), а также сократить сроки и стоимость работ 2. Помимо схем контроллера серии PRC, как базовых модулей систем СОД, разработан и реализован набор подключаемых к ним дополнительных блоков периферийных устройств, включая модули аналогового и цифрового сопряжения с объектами Общая номенклатура подключаемых блоков может составлять до 12 типов устройств, а при необходимости может быть расширена за счет типовых стандартных решений «с полки» по выбору проектировщика систем Разработчику систем предоставляется возможность использования широкого класса датчиков, исполнительных устройств (ИУ) и иных блоков СОД, включая их комбинации, несовместимые или ограниченно совместимые по параметрам, взаимному влиянию и условиям их сопряжения при использовании исключительно известных методов и средств реализации систем СОД Это позволяет существенно улучшить параметры установок и аппаратуры, расширить и улучшить функциональные возможности составных частей и систем в целом, сократить время, а также стоимость разработки и реализации аппаратуры и установок

3 Разработаны алгоритмы функционирования и схемотехнические решения для ПЛИС, связанные с обслуживанием аппаратных решений модулей систем СОД, подключаемых к контроллерам серии PRC, а также для проведения ЦОС Наряду со специально разработанными модулями проектировщику систем предоставляется возможность использовать и модифицировать как разработанные предложенные модули, так и использовать существующие решения «с полки», по его выбору

4 Разработана схема практической реализации системы СОД, применяемой в аппаратуре для спектрометрии нейтронов. В соответствии с предложенными в диссертации методами и средствами реализации систем СОД, использованы базовые и вспомогательные модули систем СОД, разработаны принципиальные схемы дополнительных модулей, а также алгоритмы их функционирования Создана система СОД многослойного детектора нейтронов (МДН-01) с диапазоном измерений от близкофоно-вых потоков до предельно регистрируемых с интенсивностью до 105 имп /с, работающего в жестких (включая полевые) условиях эксплуатации и с использованием датчиков с нестабильными режимами работы, без потери целостности данных в случае выхода из строя или за штатный режим до 2 датчиков на слой детектора Показаны возможности наращивания каналов (или слоев), исходя из методов и средств построения рас-

пределенных систем СОД, разработанных в диссертации 5 Разработана схема практической реализации системы СОД, применяемой в аппаратуре точного углового позиционирования В соответствии с предложенными в диссертации методами и средствами реализации систем СОД, использованы базовые и вспомогательные модули систем СОД, разработаны принципиальные схемы дополнительных модулей, а также алгоритмы их функционирования Реализована система управления перемещением объекта в трех плоскостях, осуществляемого одновременно от одного контроллера с параллельным выполнением операций, обеспечивающая совпадающую точность измерения углов и позиционирования в пределах до 4096 отсчетов на 1 оборот (360 градусов) Из-за особенности работы датчиков положения (абсолютные оптические и контактные энкодеры) используются косвенные методы контроля хода перемещения в пределах 1 разряда преобразователя, на основе анализа потребляемого тока двигателей, а также специальные алгоритмы ЦОС Показаны возможности наращивания плоскостей позиционирования, исходя из методов и средств построения распределенных систем СОД, разработанных в диссертации

Внедрение результатов.

Практическое внедрение результатов работы осуществлено в следующем виде

1 Реализована и внедрена система СОД многослойного детектора нейтронов МДН-01 Внедрение осуществлялось НИИИТ в рамках создания комплекса аппаратуры для мониторинга окружающей среды и обеспечения второй линии защиты сохранности делящихся материалов Имеется акт о внедрении

2 Реализована и внедрена система СОД для тестирования и настройки спектрометра нейтронов и гамма-квантов в рамках работ, проводимых на кафедре №7 МИФИ Имеется акт о внедрении

3 Реализована и внедрена система СОД и управления для аппаратуры точного углового позиционирования Внедрение осуществлялось в в/ч 35533 в рамках разработки аппаратуры специального назначения

4 Реализована и внедрена в учебный процесс ФПК ПК МИФИ методика проектирования систем сбора-обработки данных с использованием компьютерного моделирования изделий РЭА, а также схемотехнические решения блоков и модулей систем сбора-обработки данных Учебные курсы читались для специалистов промышленности, в частности для сотрудников ОАО НПО «Алмаз», ВНИИА им Н Л Духова Имеется акт о внедрении

Апробация результатов.

Результаты выполненных работ докладывались и обсуждались на научных семинарах МИФИ (1997-2005 гг ), научных конференциях МИФИ (1998-2006 гг)

Результаты работы докладывались и обсуждались на международных конференциях DANEF97 (Дубна 1997г), DANEF2000 (Дубна 2000г), XVII International Symposium on Nuclear Electronics (JINR-17), Bulgaria, Varna, 1997 г

Результаты работ докладывались и обсуждались на научно-технических конференциях с участием зарубежных специалистов «Датчики и преобразователи информации систем измерения, контроля и управления» (Датчик-99, Датчик-2001, Датчик-2002, Датчик-2003 и Дат-чик-2004, Украина, Гурзуф-Судак)

Результаты работ докладывались и обсуждались на 1-й и 6-й Российской научно-технической конференции «Электроника, микроэлектроника и наноэлектроника» (Суздаль 1999г ), (Нижний Новгород 2004г )

Результаты работы публиковались в журналах «Приборы и системы управления», №9, 1998, Москва, «Приборы и техника эксперимента» №3, 2002, Москва, и «Ядерные измерительно-информационные технологии №2 (14), 2005 и № 3(23), 2007, Москва, «Инженерная физика» №5, 2007, Москва Публикации

Всего автор имеет 54 публикации, написанные в соавторстве и самостоятельно, в том числе по теме диссертации 51 публикацию

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, списка литературы и приложений Каждая из глав содержит введение и выводы Основные выводы диссертации приведены в заключении Объем диссертации 156 страниц, 28 рисунков, 155 наименований цитируемой литературы

СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИИ

Во введении обоснована актуальность темы, сформулированы цель и задачи диссертации, ее научная новизна Приводятся положения, выносимые на защиту Раскрывается структура и объем диссертации, представлены сведения об апробации диссертации и опубликовании основных положений диссертации

В первой главе дан аналитический обзор состояния блочно-модульного обеспечения построения систем СОД, На основе анализа ма-

териалов проводится обобщение, позволяющее уточнить состав функциональных групп блоков, выявить особенности решения измерительных и функциональных задач, свойства и параметры блоков, а также сформулировать основные положения, достоинства и недостатки традиционного подхода к реализации систем СОД АИС РВ

Обобщенная схема систем СОД представлена на рис 1

Системы накопления и обработки данных

Рис 1 Обобщенная функциональная схема систем СОД

Состав групп компонентов систем СОД (см рис 1)

1 Датчики (Д) и исполнительные устройства (ИУ)

2 Устройства сопряжения с объектом (УСО)

3 Устройства сбора данных (УСД) (как правило, платы АЦП и ЦАП)

4 Устройства накопления и обработки данных (ПЭВМ и контроллеры).

5 Средства сетевого или интерфейсного сопряжения (ЛВС, полевые шины)

6 Средства обеспечения человеко-машинного интерфейса (ЧМИ)

Состав системных функций (решаемых функциональных задач) 1) -измерительные, 2) - обработки-накопления данных, 3) - системной адаптивности, 4) - поддержание работоспособности систем Измерительные задачи являются общими для системных решений и могут включать в себя набор функциональных задач отдельных блоков

В качестве наиболее важной и ответственной части набора блоков систем СОД рассматриваются средства устройств сбора, накопления и обработки данных (уровень 2 и 3) Совокупность устройств сбора, накопления и обработки данных (уровень 2) с подключенными к ним устройствами формирования сигналов (уровень 1), образует системы накопления и обработки данных (уровень 3) Основным решением для реализации набора блоков системного уровня является применение ПЭВМ со встраиваемыми или подключаемыми платами УСД В качестве альтернативного или дополняющего основное решение на базе ПЭВМ, для реализации уровня 2 применяются контроллеры обработки данных со встроенными или подключаемыми к ним УСД ПЭВМ и контроллер обработки данных в структуре средств уровня 2 решают одни и те же задачи, располагая при этом разными возможностями для их реализации Обработка сигналов на системном уровне проводится путем цифровой обработки сигналов (ЦОС), которая носит характер основного процесса обработки информации об объекте, поступающей от датчиков Блоки уровня 2 по своим функциональным возможностям являются наиболее важными для обеспечения решения измерительных задач и обеспечения параметров систем СОД в целом, а, следовательно, могут рассматриваться при проектировании систем как центральное звено в иерархической структуре блоков систем СОД

При использовании традиционных методов и средств построения систем СОД, ПЭВМ не может рассматриваться в качестве базового блока из-за отсутствия в ее составе единых блочно-модульных аппаратно-программных решений, направленных на прямое и преимущественное обеспечение выполнения функциональных задач, характерных для блоков СОД нижнего системного уровня

Во второй главе представлен анализ систем СОД, проведенный с учетом влияния на работу блоков совокупности факторов, искажающих сигналы, что позволило осуществить оценку особенностей и характеристик систем, определить состав базовых средств, схемы включения и особенности функционирования систем СОД АИС РВ

В соответствии с традиционным подходом к построению систем СОД приоритет развития и применения получили блочно-модульные решения с использованием ЦОС, проводимой специализированными ОБР-процессорами и ПЭВМ, а в качестве основного средства обеспечения метрологических характеристик систем рассматривается АЦП Исходя из параметров типичных АЦП, основные особенности групп блоков центрального звена систем СОД систематизированы диссертантом и

представлены в таблице 1

Таблица 1

Параметры и особенности работы блоков центрального звена систем

Параметры Используемые преобразователи, типичные примеры

АЭ7714 А0977 AD9220

Тип АЦП Сигма-дельта Последовательного приближения Конвейерный (pipelined)

Разрядность до 24 16 12

Точность (*) 8-23 бит, зависит от параметров дискретизации Отсутствие пропущенных кодов до 15 разрядов Ошибка в пределах до 1 МЗР

Параметры дискретизации, ДО 1 тыс (отсчеты/с) ЮОкБРЭ (квыборок/с) 10 MSPS (Мвыборок/с) 40 MSPS для AD9224

Группы блоков Гр 1, низкоскоростные Гр 2, промежуточные Гр 3, высокоскоростные

Учет влияния искажающих факторов Шумы и искажения легко отделяются от полезного сигнала стандартными средствами ЦОС Спектры шумов и полезных сигналов в значительной мере перекрываются Для АИС РВ требуется особый подход, включая комплексную обработку сигналов Требуются специальные методы и средства

проектирования

* - паспортные данные АЦП не соответствуют итоговым параметрам устройств

В результате анализа диссертантом делается заключение о том, что изделия Гр 1 в системах СОД АИС РВ могут применяться преимущественно в качестве СОТБ-решений по известным методикам Для оценки итоговых временных и точностных параметров систем СОД с использованием изделий Гр 2 и 3 диссертантом разработаны схемы для проведения расчетов, моделирования и создания практических установок в соответствии со структурой, представленной на рис 2

Контроллер сод PRC4-2 ПЭВМ -\

УСД - плата АЦП

Аналоговая - часть АЦП

Компаратор I -1/

Рис 2 Схема для оценки итоговых параметров изделий Гр 2 и 3 Результаты проведенных оценок представлены в таблицах 2 и 3 Как

показано в табл 3, предпочтительные точностные характеристики имеют УСД с внешним подключением к ПЭВМ или работающие автономно от ПЭВМ (Тип 2 схем реализации) Контроллеры СОД могут быть использованы в иерархической структуре модулей как базовые модули СОД

Таблица 2

Сравнение методов оценки влияния основных факторов (преимущест-

венно шумовое воздействие), искажающих информацию об объекте

Методы оценки блочно-модульных решений Адекватность описания (отображения поведения) Корректность итоговых результатов • Комментарии

Расчеты - - Нет приемлемых решений

Компьютерное моделирование + - Spice и IBIS - моделирование

Экспериментальные исследования +/-О + Точностные параметры по «гистограмме с заземленным входом»

* -ограниченная полоса пропускания, собственное влияние измерительных средств

Как видно из таблицы 2 наиболее корректные оценки итоговых параметров систем СОД могут быть получены экспериментальным путем

Таблица 3

Условия работы УСД, типы схем Точность преобразования для групп изделий

Гр 2 ГрЗ

Точность АЦП Число достоверных разрядов Точность АЦП Число достоверных разрядов

Тип 1 УСЛ. встраиваемые в ПЭВМ, или непосредственно подключаемые к ПЭВМ 16 разрядов 11 12 разрядов 10

Тип 2 УСЛ на удалении от ПЭВМ и изолированные от ПЭВМ 16 разрядов 12 12 разрядов 11

Приложение к таблице 3

1 Указанные в табл 3 параметры были получены для УСД на основе плат АЦП А977-02 (Гр 2) и АЫ1-01 (Гр 3), подключаемых к контроллеру СОД Р11С4-2, используемому как средство обеспечения работы центрального звена систем СОД (базовый модуль систем СОД) и функционирующему как вместе с ПЭВМ, так и автономно

2 Быстродействие УСД позволяет осуществлять работу систем СОД РВ в диапазоне 10-100 микросекунд для изделий Гр 2 и субмикросекунд-

ном диапазоне ( более 100 не) для изделий Гр 3 при близких точностных параметрах Путем проведения ЦОС возможно увеличение точности преобразования для изделий Гр 3 до величин, равных точности изделий Гр 2, при этом быстродействие изделий Гр 3 остается на порядок выше

Критерий обоснованности применения блочно-модульных решений в качестве базовых средств центрального звена систем СОД АИС РВ Блок систем СОД может применяться как базовый для АИС РВ при выполнении следующих трех условий

• возможность реализации схемы устройства (блока) с наличием в его составе набора компонентов как единых (автономных) аппаратно-программных решений, направленных на прямое и преимущественное обеспечение выполнения функциональных задач, характерных для блоков СОД нижнего системного уровня, в качестве средства обеспечения работы центрального звена систем СОД,

• возможность реализации систем СОД с использованием такого устройства, как главного устройства, к которому подключаются все остальные основные блоки систем,

• деградация итоговой комбинации параметров по точности и быстродействию для систем, с использованием такого устройства, при экспериментальной проверке параметров набора УСД - базовый блок, не превышает потери, характерные для схем типа 2 (см табл 3)

Исходя из данных табл 1, для проектирования систем СОД АИС РВ с изделиями Гр 2 и 3 требуются особые методы и средства реализации в случае необходимости получения параметров по точности и быстродействию, близких к предельно достижимым (см табл 3) Указанные решения (методы и средства) представлены в гл 3

Критерий результативности (успешности) применения проектных решений для систем СОД АИС РВ Система СОД АИС РВ с повышенными требованиями к параметрам может считаться правильно функционирующей при выполнении следующих условий Допустимое снижение итоговых параметров систем СОД АИС РВ по сравнению с полученными для схем УСД - блок ЦОС 2-го типа (см рис 1, 2 и табл. 3) не более чем на один разряд АЦП по точности, при увеличении задержки получения достоверных данных в блоке ЦОС - не более чем на 1 цикл времени преобразования АЦП для каждого канала измерений

Схемы включения и особенности функционирования систем СОД АИС РВ Основной способ реализация систем СОД предусматривает, что обработка и накопление данных может осуществляться автономно от ПЭВМ, проводиться синхронно группой контроллеров в многостадий-

ном порядке последовательно или параллельно с элементами нейро-подобных сетевых решений Многостадийная ЦОС может обеспечивать предварительную обработку-накопление данных в контроллерах с передачей в ПЭВМ ограниченных по объему данных Схематично это показано на рис.3 Указанную схему отличает повышенная гибкость, адаптивность аппаратно-программных решений и обеспечение повышенных требований к системам СОД АИС РВ Из-за особенностей реализации основной схемы контроллер вместе с ПЭВМ может применяться как составной базовый блок (модуль) систем

Схему, с использованием контроллеров как базовых блоков СОД, предлагается применять в системах СОД АИС РВ как главную (или основную), а на основе плат УСД, встраиваемых в ПЭВМ, как вспомогательную

•бъекты

Формирование и передача сигналов

Модуль сопршвния

<э

1

Датчик N I-А

Линии

СВЯЗИ

Управление объектами/датчиками

К датчикам, источникам сигналов, исполнительным устройствам

Обработка-накопление данных

Сбор данных

Обработка данных (предварительная)

Контроллер 1

Контроллер 2

Контроллер N

О

Сеть ЛВС

контроллеров Вычислительная (Промышленная сеть

сеть) (Офисная

сеть)

Рис 3 Схема систем СОД АИС РВ на основе контроллеров (как базовых

блоков)

В третьей главе приводится обоснование выбора компоновки и архитектуры контроллера СОД, параметры контроллера как базового блока, а также методика проектирования систем СОД с использованием базовых блоков

На основании результатов, полученных в главе 2, построена функциональная модель, описывающая состав и взаимодействие блоков систем СОД Назначение модели

•описание работы блоков и взаимного влияния блоков систем СОД объектного и нижнего системного уровня,

•получение характеристик работы блоков и итоговых характеристик систем,

•разработка решений базовых и вспомогательных блоков

В отличие от существующих решений, в разработанной модели учитываются следующие особенности формирования точностных и временных параметров систем

•влияние субмодулей на процесс формирования и параметры сигналов, •влияние контроллера и ПЭВМ на аналоговые модули и субмодули, •задержки получения достоверных данных на выходе контроллера после проведения комплексной обработки сигналов, включая ЦОС, и с учетом выполнения контроллером основных системных функций

На основании модели осуществлено проектирование ряда схем для компьютерного моделирования основных узлов систем и изучения взаимного влияния блоков В соответствии с разработанным критерием обоснованности применения, диссертантом предлагается использовать следующие блоки СОД, как базовые

• контроллер СОД, с возможностью подключения его к ПЭВМ, •ПЭВМ вместе с контроллером как составные базовые блоки систем

В общем случае главным звеном СОД является контроллер Характеристики некоторых процессоров, используемых для построения контроллеров СОД, представлены в таблице 4

Таблица 4

Сравнительные характеристики типичных процессоров для ЦОС

Параметры Процессор на основе ADSP-21060 SHARC

RISCAVR ПЛИС FPGAACEX 1К30

Производительность до 8 MIPS Выше DSP до 120 MFLOPS

Энергопотребление до 9 мА до 30-40 мА до 850 мА

Шумы Амплитуда (тип) до 300 мВ до 10 мВ до 50-100 мВ

Спектр Относительно НЧ В значительной мере ВЧ

Воздействие шумов на аналоговые компоненты Низкое Очень низкое Высокое

Диссертантом предлагается реализация контроллера с использованием комбинированного составного процессора на базе микроконтроллера А VII и ПЛИС ИРСА, который позволяет обеспечивать работу модуля ЦОС и управления в РВ, используя преимущества ИБС-процессора и расширенные возможности ПЛИС

Основные параметры контроллера РЯСЗ-б (а также и РЯС4-21

• Многоточечное удаленное подключение к центральной ПЭВМ до 32 контроллеров на расстояние до 1,2 км в соответствии с возможностями стандарта RS-485

•Дополнительные интерфейсы (подключение к плате через модуль MZN) IEEE 1284, USB vil, Ethernet, CAN и другие •Расширенные возможности по реализации многоканальных систем с подключением до 70 датчиков, источников сигналов или управляемых устройств к контроллеру

• Возможность удаленного программирования AVR и конфигурирования ПЛИС со стороны ПЭВМ

Схема такого контроллера представлена на рис 4

USERI/0-Í

Контроллер PRC3-X

RS-485I

Peripheral Ю

SPI

AVR

JTAG

Buff North

. FPGAI/O

и

V—*

г

i G

West Г

FPGA

CONF

<¡=0

SPI

BJ

Eas

EEPROM AT25256

Buff South

О Ю

\7 USERI/O

MZN

Ct

ш «

D

Рис 4 Схема контроллера СОД типа PRCЗ-6 (PRC4-2) Недостатки иных близких процессорных решений (например, РРБЬЮ 1) проблемы обеспечения загрузки ПЛИС по требуемой нестандартной схеме управления перезагрузкой и рестартом схемы контроллера, 2) отсутствие истинно асинхронного и независимого режима работы процессоров, 3) отсутствует возможность реализации многоинтерфейсного сопряжения процессоров, включая сопряжение с повышенной надежностью обмена, 4) проблемы полноценной интеграции с ведущими САПР в сквозном цикле проектирования

В качестве модулей и блоков сопряжения, подключаемых к контроллерам серии PRC, используются следующие категории средств

1) готовые покупные изделия «взятые с полки» (СОТБ-решения),

2) собственные решения, реализованные в виде готовых модулей,

3) средства, разрабатываемые под задачу, из набора схемотехнических и

программных решений, использовавшихся ранее или разрабатываемых впервые

Примеры модулей цифрового сопряжения (категория 2)) •модуль RS422TL преобразования ТТЛ/КМОП-уровней 5/3,3/2,5В в RS-422/485,

•удаленный считыватель RR2-1 с 8-разрядным сдвиговым регистром

Использование контроллеров серии PRC с ПЛИС FPGA как базовых блоков СОД допускает применение в качестве блоков сопряжения с объектом широкую гамму продукции категорий 1)-3) Особенности конструкции контроллера рассчитаны как на удаленное, так и на непосредственное подключение модулей АЦП/ЦАП (УСД и УСО) для интеллектуальных и традиционных датчиков Средства сетевого сопряжения используются преимущественно как категории средств 1) и 2) К таким решениям относятся, например, USB-модули USB245M (FTDI), обеспечивающие сопряжение с ПЭВМ по интерфейсу USB 1 1и имеющие развитый набор стандартных программных решений

Методика проектирования систем СОД с использованием базовых блоков Методика базируется на разработанной функциональной модели, описывающей состав и взаимодействие блоков систем СОД

Методика предполагает максимально возможное использование известных и широко применяемых решений методического, аппаратного и программного обеспечения, используемых в проекте Вместе с тем имеются отличия, позволяющие добиваться обеспечения повышенных требований к параметрам систем СОД АИС РВ, проектируемых в условиях ограничений сроков и ресурсов

Характерной особенностью методики является многостадийная многоуровневая проверка работы блоков систем и взаимного влияния блоков, осуществляемая преимущественно в виде компьютерного моделирования с проведением оптимизации схем и алгоритмов функционирования блоков. Поиск вариантов решений по представленной методике ведется преимущественно для блоков УСО, линий связи, ПО микроконтроллера и схем ПЛИС, а также заключается в проверке взаимного влияния блоков и настройки параметров систем В отличие от известных подходов к разработкам, на ранних этапах реализации проекта осуществляется выбор оптимальных решений дня построения аналоговой подсистемы с учетом работы цифровых модулей и влияния внешних факторов, искажающих информацию об объекте На этом этапе осуществляется выбор основных аппаратно-программных решений систем Макетирование на последующих стадиях, если и производится, то носит характер

верификации уже разработанного решения с подтверждением достигнутых параметров

Основные проектные процедуры при создании систем СОД АИС РВ, с использованием контроллеров СОД и ПЭВМ в качестве базовых модулей систем, схематично представлены на рисунке 5

Принципы

Многоэтапность Иерархичность

Многовариантность

Проектные процедуры Задание

1

Разработка иерархической схемы проекта

^ Структуризация описания схемы проекта.

Декомпозиция

^ 4

Этапы проекта

• Предпроектные работы

• Техническое задание

• Техническое предложение

• Эскизный проект

Поиск вариантов реализации решений объектного уровня

Поиск варианта реализации комбинации блоков объектного и нижнего системного уровней

Принятие решения о продолжении работ

Синтез

Выбор основной схемы Системная интеграция

Технический проект Рабочий проект

Рис 5 Схема последовательности выполнения проектных процедур В обобщенном виде основные особенности и преимущества предложенных практических решений, предусмотренные методикой, представлены в таблице 5

Таблица 5

Основные особенности применения решений при реализации проекта

Решение измерительных задач систем СОД АИС РВ

Основные решения Особенности и преимущества

1 Применение единого универсального kohtdojui6D3 СОЛ как базового модуля систем Контроллер вместе с ПЭВМ может применяться как составной базовый молуль систем Настройка системы «под задачу» осуществляется преимущественно путем модификации ПО МП и/или схемы ПЛИС, а также коммутацией схем подключений ВУ для контроллера

1 1 Возможность применения «восходящего» принципа и методов проектирования для набора блоков Д-УСО-УСД 1 2 Возможность расширенного применения традиционных принципов и методов «нисходящего» проектирования для блоков системного уровня - Для обеспечения метрологических и иных характеристик систем приоритетное применение решений по аналоговой и смешанной обработке сигналов (приоритет аналоговой схемотехники и ЦОС, как дополнение к аналоговым методам обработки) - Расширенное применение традиционных решений на системном уровне

2 Расширенное применение блоков Д - УСО в виде COTS-решений - Снижение требований по адаптации блоков к системам и решаемым системным задачам - Решение функциональных задач в соответствии с эксплуатационными параметрами и требованиями изготовителей блоков - Адаптация к системе осуществляется преимущественно за счет схем ПЛИС

3 Применение средств сопряжения контроллеров с HOST ПЭВМ (или иными более высокими по иерархии структурными блоками) осуществляется преимущественно в виде COTS-решений

4 Использование, плат типа AN1-01, относящейся к Гр 3, в качестве единого УСД для Гр 2 и 3 Достижение параметров по точности и быстродействию для ограниченного набора УСД (унификация и сокращение номенклатуры блоков)

В четвертой главе представлено описание реализации системы СОД, применяемой в аппаратуре спектрометрии нейтронов Сформулированы требования к аппаратуре, показаны преимущества применяемой схемы по сравнению с традиционно используемыми решениями.

Применение многомодульных детекторов нейтронов (МДН-01) на основе Не-3 пропорциональных счетчиков, находящихся за разными слоями замедлителя, позволяет, путем обработки поступающих со счетчиков данных, восстановить энергетические группы нейтронного излучения При этом достаточно осуществить подсчет числа импульсов с детекторов за определенное время Исходные требования к работе системы СОй_

•изменение времени экспозиции в диапазоне от 1 сек до десятков тысяч

секунд,

• число каналов счетчиков не менее десяти (оптимально 60),

• предельная пиковая интенсивность следования счетных импульсов детектора до 2 105 имп /с, расчетная средняя загрузка счетчиков блока обработки до 104 имп /с ,

•одновременно с работой МДН-01 должна осуществляться работа гамма-спектрометра (при использовании одной ПЭВМ)

Предварительные варианты решений Основные параметры блока детектирования (для Не-3 счетчиков СИ-14Н)

•значение пика импульса тока счетчика для сигнала регистрации нейтронов ~5 10"?А,

•длительность сигналов от нейтронов до 10 мкс, от гамма-излучения до 5-7 мкс и приблизительно вдвое меньшая амплитуда по сравнению с импульсами от нейтронов,

•выходной сигнал ТТЛ/КМОП - совместимый, длительность соответствует значению сигнала счетчика СИ-14Н с задержкой на преобразование до 120 не

Особенностью предварительных вариантов решения систем СОД является использование плат, встраиваемых в ПЭВМ Общие недостатки предварительных решений состояли в следующем •не полностью выполнены требования исходных данных, •реальная длина линий связи между блоками 2-3 метра,

• помехоустойчивость системы слабая,

•использование плат встраиваемых в ПЭВМ фактически означает использование практически всех ее ресурсов для управления работой только счетчиками МДН-01 (без обеспечения работы гамма-спектрометра)

С учетом изложенных недостатков диссертантом предложен итоговый вариант системы СОД МДН-01. приведенный на рис 6

В этом варианте используются новые Не-3 счетчики Гелий 4-1, у которых

•выше эффективность регистрации нейтронов,

•втрое меньше амплитуда и длительность импульсов,

•счетчики в значительной мере подвержены нестабильным режимам с

генерацией случайных колебаний

Блок обработки сигналов представлен платой обработки данных, реализованной на основе контроллера РИСЗ-б со схемой ПЛИС и ПО микроконтроллера, обеспечивающих выполнение функций многоканального пересчетного прибора В этом блоке ЦОС проводится последовательно-параллельно с выполнением следующих действий

19

1) в ПЛИС работают 10 двойных 8-разрядных таймер-счетиков (в режиме «пинг-понг»),

2) АУЯ осуществляет суммирование в 32-разрядных регистрах-накопителях,

3) ПЭВМ осуществляет окончательную обработку данных счетчиков и таймера

Итоговая схема аппаратуры приведена на рисунке 6

Блоксчетчшов

Счетный канал 1 «ормироаатал. Преду сипл «лк\

Счетчик

Компаратор

Счетный канал 2

Плата об работки данных

Счетный канал л

Контроллер РЯСЗ-б

Ижлируюирй бярьвр

(в-232

или

А\т

№-232

(«-»85

БР1

Рис 6. Схема системы СОД МДН-01 на основе контроллера РИ.СЗ-6

Обработка сигналов предусматривает измерение и дискриминацию сигналов по амплитуде и длительности с элементами фильтрации и использованием самообучения (настройки) Выявление резкого повышения интенсивности счета и наличия пиковых загрузок, вызванных, например, резким ухудшением радиационной обстановки или шумами канала, осуществляется за счет контроля переполнения 8-разрядных счетчиков ПЛИС При переполнении имеется возможность, путем реконфигуриро-вания ПЛИС, изменить схему прибора на тестовую, применение которой позволяет измерить параметры сигналов, вызывающих переполнение счетчиков, и настроить параметры канала

К контроллеру РЯСЗ-6 можно подключать до 10 счетных каналов Увеличение числа каналов до оптимальных 60 требует применения 6 плат контроллеров с их взаимосогласованной работой, что достигается благодаря конструктивным особенностям РЛСЗ-6 и применению разработанных решений для аппаратуры, реализуемой с использованием принципов, методов и средств проектирования систем СОД АИС РВ.

В пятой главе представлено описание практической реализация системы СОД, применяемой в аппаратуре точного углового позиционирования Приводится схема и параметры системы СОД, показано пре-

имущество применяемой схемы с точки зрения решения поставленной задачи и используемых для этого средств

Целью создания системы точного углового позиционирования (перемещения) является разработка и изготовление аппаратных и программных средств, необходимых для обеспечения управления многокоординатной системой позиционирования объектов

Состав аппаратуры для углового позиционирования представлен на рис 7

Состав аппаратуры для углового позиционирования

Рис 7 Основные блоки, входящие в состав аппаратуры позиционирования

Принцип действия системы основан на микропроцессорном управлении работой двигателей постоянного тока с одновременным измерением точного углового положения вала редуктора исполнительного механизма В качестве основных типов датчиков положения используются абсолютные оптические и контактные датчики (энкодеры) с точностью, соответствующей 7 12 разрядам Двигатели постоянного тока рассчитаны на напряжение питания до 30-36В и рабочий ток до 5А Вращение може? осуществляться для углов поворота до 360 градусов, расчетная скорость вращения двигателей составляет до 7000 об/мин, время перемещения вала редуктора на 1 МЗР датчика перемещения при этом может составлять до 14,7 мс Аппаратура точного углового позиционирования относится к управляющим системам, использующим средства СОД АИС

21

РВ Аппаратура реализуется с использованием распределенных автоматизированных систем измерения и управления В процессе работы аппаратуры необходимо осуществлять постоянный контроль за работоспособностью блока управления двигателями и показаниями датчиков

Основные параметры системы СОД следующие •одновременный контроль за перемещением по трем координатам, •точность определения координат точнее 0,1° (360°/4096), •точность позиционирования - в пределах 1 МЗР датчика, •время реакции (с началом выключения двигателей) на срабатывание концевого выключателя до 2 мкс,

•к одной ПЭВМ подключается до четырех (или до 32) блоков управления

В качестве основных блоков системы используются следующие модули контроллер PRC3-6, плата обслуживания датчиков и двигателей Плата обслуживания датчиков и двигателей была спроектирована под данную задачу на основе модули связи RS422TL Блок ручного управления представляет собой модифицированный модуль ручного управления на основе светодиодных индикаторов В качестве дополнительных средств рассматривается ПЭВМ и преобразователь RS-232/48S Блоки питания представляют собой покупное изделие При реализации схем ПЛИС использована значительная часть разработанных ранее модулей. Блок контроля тока двигателей реализован на основе стандартных модулей АЦП

Применение методов и средств реализации системы СОД на основе контроллера PRC3-6 имеет ряд преимуществ по сравнению с традиционными схемами, использующими ЦОС с последовательным выполнением операций Например, применение DSP типа ADSP-21060 SHARC для управления системой позиционирования позволило бы управлять только одним каналом в масштабе РВ с учетом всей требуемой ЦОС. При этом возможно появление мертвого времени и неверное управление ключами мостовой схемы электродвигателей (со временем неопределенности до 200-500 не и более) Указанное время неопределенности может оказаться достаточным для вывода из строя ключей BTS770 при выполнении операций разгона-торможения/реверса двигателей.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ ДИССЕРТАЦИИ

Основной итог диссертации состоит в разработке и создании базовых модулей систем СОД и методов их применения, позволяющих повысить эффективность проектирования и функционирования систем СОД

для АИС РВ Комбинации покупных модулей, специально разработанных модулей СОД и базовых блоков используются в схемах проектируемой аппаратуры, как составные блоки распределенных процессорных систем Получение требуемых характеристик систем СОД достигается преимущественно путем настройки аппаратно-программных решений используемых базовых блоков Путем применения разработанных в диссертации решений достигается снижение влияния отрицательных факторов, присущих использованию ПЭВМ и'наборов блоков сопряжения в системах СОД АИС РВ, при сокращении сроков и стоимости выполнения работ В состав базовых блоков входят

• контроллеры СОД серии РЯС,

• ПЭВМ с подключаемыми к ней контроллерами СОД серии РЯС в ка-

честве составного базового модуля систем СОД Допускается применение иных решений с контроллерами в качестве базовых модулей систем СОД, применение которых не противоречит разработанным в диссертации критериям и методам проектирования/построения систем

В состав разработанных дополнительных модулей СОД, подключаемых к базовым блокам, входят

1) модули цифрового сопряжения, например, модуль Я8422ТЬ преобразования ТТЛ/КМОП-уровней 5/3,3/2,5В в 115-422/485 и удаленный считыватель ЯЛ2-1 на основе сдвигового регистра и др ,

2) модули УСД, например, плата АЫ1 -01 и др ,

3) модули схем ПЛИС для обеспечения работы периферийных блоков, подключаемых к базовым блокам,

4) вспомогательные средства, например, преобразователь 118-232/485, модуль ручного управления и др

В результате выполнения диссертационной работы были решены все поставленные задачи и достигнуты основные цели Стало возможным проектировать системы СОД среднего и высокого быстродействия, где, в соответствии с разработанными в диссертации методами и средствами реализации систем СОД, может быть получена итоговая точность 12 достоверных разрядов и более, одновременно с возможностью реализации систем автоматизации реального времени с характерными временами отклика менее 1 мкс Это соответствует паспортным данным используемых АЦП и иных аналоговых компонентов

В частности с использованием предложенных в диссертации методов и средств разработана и создана следующая аппаратура 1 Создана система СОД многослойного детектора нейтронов МДН-01

Это позволило обеспечить диапазон измерений полей нейтронов от близкофоновых потоков до 105 имп /с, без потери целостности данных в случае выхода из строя или за штатный режим до 2 датчиков на слой детектора Работа аппаратуры осуществляется в режиме PB при полностью отсутствующих интервалах «мертвого времени»

2 Разработана система СОД, применяемая в аппаратуре точного углового позиционирования Это позволило реализовать систему управления перемещением объекта в трех плоскостях одновременно, от одного контроллера серии PRC с параллельным выполнением операций, обеспечивающую совпадающую точность измерения углов и позиционирования в пределах до 4096 отсчетов на 1 оборот (360 градусов)

Публикации основных результатов диссертационной работы.

1 Nemchinov V M, Samossadnyi А V Designing the Data Acquisition Systems Based on Standard and Application Specific PC-Compatible Peripheral Devices // International Workshop on Data Acquisition Systems for Neutron Experimental Facilities (DANEF'97) Proceedings June 2-4, 1997, Dubna, Russia

2 Немчинов В M, Самосадный А В , Кадилин В В., Каплун А А , Колесников C.B., Ярохно В В Система сбора-обработки данных гамма-нейтронного спектрометра для мониторинга окружающей среды // The XVII International Symposium on Nuclear Electronics Bulgaria, Varna, September 15-21, 1997

3 Дмитренко В В , Самосадный В.Т., Кадилин В В , Грачев В M, Улин С.Е., Каплун А А, Колесников СВ., Самосадный А В , Соколов Д В , Ярохно В В Измерительно-контрольный комплекс аппаратуры для обнаружения делящихся материалов // Приборы и системы управления, 1998, №9

4 Самосадный А В. Система сбора-обработки данных гамма-спектрометра // «Датчики и преобразователи информации систем измерения, контроля и управления». Сборник материалов XI Научно-технической конференции с участием зарубежных специалистов. Под редакцией профессора В.H Азарова. M • МГИЭМ, 1999 - 204с

5. Nemchinov V.M, Samossadnyi А V Data Acquisition Systems based on PC AT. Interfaces and Interfacing Problems // Data Acquisition Systems for Neutron Experimental Facilities (DANEF-2000) Proc of the 2nd Intern Workshop (Dubna, June 5-7, 2000). - Dubna JINR, 2001.- 34 lp 6 Г JI. Деденко, В В. Кадилин, А А Каплун, С В Колесников, А В Самосадный, В Т Самосадный Многослойный детектор для оперативной

оценки спектрального состава полей нейтронов // Приборы и техника эксперимента №3, 2002, Москва

7 Самосадный А В , Азаров Д А , Немчинов В М Контроллер для систем автоматизации с реализацией ОБР-функций // «Датчики и преобразователи информации систем измерения, контроля и управления» Материалы XV Научно-технической конференции с участием зарубежных специалистов Под редакцией профессора В Н Азарова М МГИЭМ, 2003 -337с

8 Самосадный А В Блок обработки сигналов системы регистрации полей ионизирующих излучений // «Датчики и преобразователи информации систем измерения, контроля и управления» Материалы XV Научно-технической конференции с участием зарубежных специалистов Под редакцией профессора В Н Азарова М МГИЭМ, 2003 -337с

9 Самосадный А В , Азаров Д А , Немчинов В М , Лапицкий Д И Электронные модули комплекса точного углового позиционирования // Электроника, микро- и наноэлектроника Сборник научных трудов / Под ред В Я Стенина -М МИФИ, 2004 -336с

10 Деденко Г Л , Кадил ин В В , Колесников С В , Новиков Д В , Самосадный А В , Самосадный В Т Факторы, определяющие чувствительность многослойного детектора нейтронов// Ядерные измерительно-информационные технологии №2(14), 2005, с 69-78

11 Самосадный А В Основные направления решения проблем реализации измерительных систем для построения аппаратуры автоматизации физического эксперимента //Инженерная физика №5, 2007, с 72-79

12 Самосадный А В Набор блочно-модульных решений и методы решения задач построения систем сбора-обработки данных аппаратуры автоматизации физического эксперимента с одновременным количественным контролем параметров// Ядерные измерительно-информационные технологии №3(23), 2007, с 72-89

Подписано в печать 17 01 2008 г Печать трафаретная

Заказ №10 Тираж 90 экз.

Типография «11-й ФОРМАТ» ИНН 7726330900 115230, Москва, Варшавское ш, 36 (495) 975-78-56, (499) 788-78-56 www autorcfcraLru

Выводы к главе 5

Аппаратура точного углового позиционирования относится к управляющим системам, использующим системы СОД и многоканальные АИС РВ с одновременным количественным контролем основных параметров. Датчики угла поворота относятся к точным и прецизионным, а сама система - к многоканальным быстродействующим управляющим системам реального времени. В процессе работы аппаратуры необходимо осуществлять постоянный контроль за работоспособностью блока управления двигателями и показаниями датчиков.

Для реализации системы СОД была выбрана схема с использованием контроллера СОД, подключаемого к ПЭВМ или работающего автономно. В процессе проектирования системы СОД, в соответствии с предложенными методами и средствами реализации систем СОД, осуществлялась разработка системы с учетом трех основных взаимосвязанных направлений: аналоговый тракт, система цифровой обработки и цифровые интерфейсные решения с приоритетным рассмотрением аналоговой подсистемы.

В качестве основных блоков системы используются модули: контроллер PRC3-6, плата датчиков и двигателей. Плата датчиков и двигателей была спроектирована под данную задачу на основе модули связи RS422TL, блок ручного управления представляет собой модифицированный модуль ручного управления на основе светодиодных индикаторов. В качестве дополнительных средств рассматривается ПЭВМ и преобразователь RS-232/485. Исполнительные механизмы и блоки питания представляют собой покупные COTS-изделия. При реализации схем ПЛИС значительная часть модулей реализованы как стандартные и модифицированные стандартные модули COTS. Блок контроля тока двигателей реализован на основе стандартных модулей аналого-цифрового сопряжения с объектом.

Цифровая обработка сигналов осуществляется в контроллере PRC3-6 как предобработка и основная обработка сигналов и данных от датчиков. Предобработка заключается в контроле достоверности данных и осуществлении преобразований кодов данных, формировании сигналов и осуществлении управления двигателями. Параллельная обработка для плоскостей перемещения, включая управление двигателями, осуществляется в ПЛИС. В ПЭВМ и пульт управления с помощью AVR передается информация о текущем состоянии аппаратуры. Особенностью работы контроллера PRC3-6 является обеспечение параллельного и независимого обслуживании плоскостей позиционирования в реальном масштабе времени. Имеется возможность наращивания числа плоскостей позиционирования за счет параллельной взаимосогласованной работы группы контроллеров и изменения схемы ПЛИС в зависимости от выбранного режима работы и требуемых настроек. Необходимость подобных решений диктуется, в том числе, особенностью работы системы: датчик углового положения-двигатель и датчик тока-двигатель, с обеспечением самодиагностики и самонастройки системы, например на износ механизма, условия размещения объекта и др. факторы. Такое решение реализуется в соответствии с порядком выбора решений ЦОС для распределенного процессора на основе набора ПЛИС с динамическим изменением (адаптацией) схем под требуемые параметры и решаемые задачи. При выборе линий связи предпочтение было отдано стандартным решениям контроллера PRC3-6, расположенным на плате контроллера. Реализация протокола обмена с HOST-ПЭВМ была принята нестандартной с минимизацией служебных сообщений и настроек с целью снижения скорости передачи и уменьшения генерации помех.

Применение итоговой схемы системы СОД и ее практическая реализация на основе контроллера PRC3-6 имеет ряд преимуществ по сравнению со схемами, использующими ЦОС с последовательным выполнением операций. Предварительные оценки показывают, что применение DSP процессоров типа ADSP-21060 SHARC для управления системой позиционирования позволили бы управлять только одним каналом в реальном масштабе времени с учетом всей требуемой ЦОС. При этом возможно появление мертвого временили неверное управление ключами мостовой схемы электродвигателей (с временем неопределенности до 200-500 не и более). Указанное время неопределенности может оказаться достаточным для вывода из строя ключей BTS770 при выполнении разгона-торможения/реверса двигателями, особенно для точной доводки системы позиционирования, когда особенно часто осуществляется варьирование скорости вращения двигателей. Особенностью работы нижних ключей моста BTS770 является их высокая скорость переключения с необходимостью обеспечения фронтов сигналов не более 100 не и с точностью выбора начала переключения 25-40 не. Необходимость использования ключей с таким параметрами по быстродействию обусловлена повышенными скоростями смены кода датчиков и необходимостью быстрого варьирования скорости вращения двигателей.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Основной итог диссертации состоит в разработке и создании базовых модулей систем СОД и методов их применения, позволяющих повысить эффективность проектирования и функционирования систем СОД для АИС РВ. Комбинации покупных модулей, специально разработанных модулей СОД и базовых блоков используются в схемах проектируемой аппаратуры, как составные блоки распределенных процессор» ных систем. Получение требуемых характеристик систем СОД достигается преимущественно путем настройки аппаратно-программных решений используемых базовых блоков. Путем применения разработанных в диссертации решений достигается снижение влияния отрицательных факторов, присущих использованию ПЭВМ и наборов блоков сопряжения в системах СОД АИС РВ, при сокращении сроков и стоимости выполнения работ. В состав базовых блоков входят:

• контроллеры СОД серии PRC;

• ПЭВМ с подключаемыми к ней контроллерами СОД серии PRC в качестве составного базового модуля систем СОД.

Допускается применение иных решений с контроллерами в качестве базовых -модулей систем СОД, применение которых не противоречит разработанным'в диссертации критериям и методам проектирования/построения систем.

В состав разработанных дополнительных модулей СОД, подключаемых к базовым блокам, входят:

1. модули цифрового сопряжения, например, модуль RS422TL преобразования TTJI/КМОП-уровней 5/3,3/2,5В в RS-422/485 и удаленный считыватель RR2-1 на основе сдвигового регистра и др.;

2. модули УСД, например, плата АШ-01и др.;

3. модули схем ПЛИС для обеспечения работы периферийных блоков, подключаемых к базовым блокам;

4. вспомогательные средства, например, преобразователь RS-232/485, модуль ручного управления и др.

В результате выполнения диссертационной работы были решены все поставленные задачи и достигнуты основные цели. Стало возможным проектировать системы СОД среднего и высокого быстродействия, где, в соответствии с разработанными в диссертации методами и средствами реализации систем СОД, может быть получена итоговая точность 12 достоверных разрядов и более, одновременно с возможностью реализации систем автоматизации реального времени с характерными временами отклика менее 1 мкс. Это соответствует паспортным данным используемых АЦП и иных аналоговых компонентов.

В частности с использованием предложенных в диссертации методов и средств разработана и создана следующая аппаратура.

1. Создана система СОД многослойного детектора нейтронов МДН-01. Это позволило обеспечить диапазон измерений полей нейтронов от близкофоновых потоков до 105 имп./с, без потери целое гное ги данных в случае выхода из строя или за штатный режим до 2 датчиков на слой детектора. Работа аппаратуры осуществляется в режиме РВ при полностью отсутствующих интервалах «мертвого времени».

2. Разработана система СОД, применяемая в аппаратуре точного углового позиционирования. Это позволило реализовать систему управления перемещением объекта в трех плоскостях одновременно, от одного контроллера серии PRC с параллельным выполнением операций, обеспечивающую совпадающую точность измерения углов и позиционирования в пределах до 4096 отсчетов на 1 оборот (360 градусов).

Путем применения разработанных в диссертации методов и средств построения систем СОД в виде набора блочно-модульных решений, становится возможным устранить значительную часть недостатков применения ПЭВМ в системах СОД, а также ограничить влияние остающихся отрицательных факторов, присутствующих при создании систем СОД на основе ПЭВМ, МП и подключаемых к ним стандартных типовых модулей аппаратуры. Это является наиболее актуальным для проектирования АИС РВ аппаратуры автоматизации физического эксперимента с одновременным количественным контролем основных параметров, работающих в жестких условиях эксплуатации. Представленные решения не затрагивают основную аппаратно-программную реализацию ПЭВМ, что позволяет применять различные типы ПЭВМ как базовые стандартные блоки (СОТБ-решения). Принципиальной является также возможность использования в АИС РВ широкого класса датчиков, а также иных блоков СОД, включая их комбинации, несовместимые или ограниченно совместимые по параметрам блоков, по взаимному влиянию и сопряжению блоков, а также по условиям (воздействию) окружающей среды при использовании стандартных методов и средств реализации систем СОД.

Это позволяет существенно улучшить параметры проектируемой аппаратуры, расширить и улучшить функциональные возможности составных частей и систем в целом, существенно расширить номенклатуру используемых датчиков в аппаратуре с повышенными требованиями к совместимости блоков за счет изделий, не предназначенных по их параметрам для таких применений, сократить время, а также стоимость разработки и реализации аппаратуры и установок.

1. Приборно-модулытые универсальные автоматизированные измерительные системы: Справочник/ В.А. Кузнецов, В.Н. Строителев, Е.Ю. Тимофеев и др.; Под ред. В.А. Кузнецова. -М.: Радио и связь, 1993.-304с.: ил.

2. Rigby W.H., Dalby Т. Computer Interfacing: A Practical Approach to Data Acquisition and Control. — Prentice Hall Education, Career & Technology Englewood Cliffs, New Jersey 07632, USA, 1995.

3. Tompkins W.J., Webster J.G. (eds.) Interfacing Sensors to the IBM PC. Prentice Hall, Englewood Cliffs, New Jersey 07632, USA,1988.

4. Перцовский М.И. Системы промышленной и лабораторной автоматизации: методы и средства построения // Мир компьютерной автоматизации, №3, 2000, с.7-17.

5. Бурцев А. Типовые аппаратные решения построения систем сбора данных // Мир компьютерной автоматизации, №3, 2000, с.22-25.

6. Баженов А. Обзор развития средств измерения и тестирования: с 1980-х а XXI век // Мир компьютерной автоматизации, №4, 1999, с.53-55.

7. Анзимиров Л.В. Тенденции мирового рынка промышленной автоматики //Автоматизация в промышленности, №4, 2003.

8. Захаров H.A. ПЛК и PC-совместимые контроллеры: два подхода к построению систем // Автоматизация в промышленности, №4, 2003.

9. Команцев A.B., Иванова О.П. PC-совместимые контроллеры: плюсы и минусы //Автоматизация в промышленности, №4, 2003.

10. Юрченко В.В. Автоматизация на основе PC преимущества и недостатки // Автоматизация в промышленности, №4, 2003.

11. ООО «Сименс». Гибко программируемые контроллеры или решения на базе ПК? //Автоматизация в промышленности, №2, 1998, с.78-79.

12. Егоров Е.В., Малиновский Д.И. PC против PLC или вперед к победе оппортунизма // Автоматизация в промышленности, №4, 2003.1415,16