2015-03-07
1005
Управління мехатронными системами повинно здійснюватися на підставі достовірної, повної і своєчасної інформації.
Надалі мехатронная система розглядатиметься з позиції аналізу інформаційних систем, т. е. систем, що здійснюють збір, передачу, обробку, зберігання і представлення інформації із застосуванням обчислювальної техніки(Рис. 2.20).
Збір інформації в мехатронных системах розпочинається з використання датчиків. У загальному випадку датчик виконує набір перетворень над сигналом(чи сукупністю сигналів), що виробляються сенсором.
Рис. 2.20 - Модель виміру фізичних величин
Основним завданням сенсора є перетворення вимірюваної(в даному випадку не розрізняємо поняття «вимір» і «оцінка») величини в електричний сигнал. Тобто, сенсор є Х-електричним перетворювачем. Наприклад, відома корейська фірма Murata робить електронні пристрої - акселерометры, призначені для використання як сенсорів прискорення і що використовують п'єзоелектричний ефект.
Іншим прикладом сенсорів, що випускаються тією ж фірмою, є електронні гіроскопи, що використовують ефект Коріоліса і п'єзоефект для перетворення вимірюваної величини - кутового прискорення в електричний сигнал.
Електричний сигнал, що отримується з сенсора, далі проходить ряд перетворень. Передусім, вихідний сигнал сенсора посилюється, в деяких випадках нормується або компандируется, фільтрується і перетворюється в цифрову форму.
Посилення вихідного сигналу сенсора потрібне для того, щоб привести його рівень(напругу або силу струму) до величини, зручної для подальшого використання. Наприклад, вихідний сигнал термопари(термоелектричного перетворювача, що використовує ефект «виникнення» різниці потенціалів на контакті різнорідних за фізико-хімічними властивостями металів) складає десятки або навіть«сотні мікровольт, тоді як сенсор напруги у високовольтній лінії електропередач оперує значеннями в десятки кіловольт.
Операція нормування використовується в тих випадках, коли абсолютне значення вимірюваної величини не важливе, а необхідно оцінювати її зміну. Наприклад, рівень гучності звуку, що сприймається людським вухом, пропорційний похідній зміни тиску і не залежить(у межах «механічний міцності» барабанних перетинок) від абсолютної величини тиску. У таких випадках вихідний сигнал сенсора піддають посиленню зі змінним коефіцієнтом посилення з метою забезпечення на виході електричного сигналу, що лежить в заданому діапазоні. Як приклад операції нормування можна розглянути роботу АРУ(автоматичного регулювання рівня) в диктофонах (Рис. 2.21).
Рис. 2.21. Автоматичне регулювання рівня запису в диктофоні
У тих випадках, коли діапазон зміни вимірюваної величини складає декілька(три і більше) декад, застосовується операція компандування. Компандування є нелінійною операцією, що звужує динамічний діапазон сигналу. Операції компандування і зворотна їй операція экспнадирования є абсолютно природними для людини - практично усі органи чуття мають логарифмічний характер чутливості. Це відноситься і до сприйняття гучності, і до сприйняття освітленості, і т. д.
Основна ідея, що лежить під операцією компандування, полягає в прагненні представити великий діапазон зміни вимірюваної величини електричним сигналом, що змінюється в значно менших межах.
Наступною типовою операцією по перетворенню вихідного сигналу сенсорів є фільтрація. Фільтрація - виділення(підкреслення) деяких характеристик, які, як вважається, мають бути присутніми у вихідному сигналі сенсора. Найчастіше фільтрація застосовується для «очищення» вихідного сигналу сенсора від перешкод.
Досі сигнал з виходу сенсора, ряд функціональних перетворень, що проходить, розглядався як безперервна функція часу. Такі сигнали прийнято називати аналоговими. Використання аналогових сигналів в цифрових обчислювальних системах вимагає введення ще декількох функціональних перетворень.
Перший вид перетворення, що наближає аналоговий сигнал до цифрових систем, носить назву дискретизація за часом.
Математично дискретизація може бути задана елегантним вираженням виду:
де x(t) - початковий аналоговий сигнал як функція часу; x(t) - сигнал, що дискретизує; δ(·) - функція Дираку; - частота дискретизації.
Функція sin/ t має ряд нулів, розташованих в точках t = 0, 2 / ⋅ n, n [1, 2,...,∞]. Іншими словами, сигнал, що дискретизує, представляється у вигляді набору δ -импульсов, рівномірно розподілених по осі часу з кроком, пропорційним частоті дискретизації. Причому площа δ -импульсов пропорційна величині початкового(аналогового) сигналу у відповідні моменти часу.
При накладенні певних обмежень на частоту дискретизації замість початкового сигналу може бути використаний «двійник», що дискретизує за часом, зберігає усі властивості початкового сигналу.
Як приклад використання сигналу, що дискретизує за часом, розглянемо підключення акселерометра до вимірювальної системи.
Відомий приклад акселерометра з сенсором, що використовує п'єзоелектричний ефект. Подібний сенсор характеризується чутливістю близько 10 мВ/м/с2, що обумовлює необхідність передачі малих електричних сигналів по сполучних кабелях.
Щоб зменшити(або навіть повністю виключити) вплив перешкод і наведень на сполучний кабель на достовірність передачі інформації(свідчень сенсора), можна поєднати на одному кристалі як сенсор, так і блок первинної обробки сигналів. Останній повинен складатися з підсилювача і облаштування дискретизації за часом (Рис. 2.22).
Рис. 2.22. Використання широко-імпульсної модуляції
Як дискретизатора часто використовуються широко-імпульсні модулятори, які формують послідовності прямокутних імпульсів, наступних з постійною частотою, але що мають тривалість, пропорційну рівню вхідного(аналогового) сигналу.
Операції дискретизації за часом і квантування по рівню зазвичай поєднують з метою отримання цифрових сигналів. Цифровий сигнал представляється у вигляді набору відліків(миттєвих вимірів рівня аналогового сигналу, представлених з точністю до кроку квантування), узятих через певні інтервали часу(із заданою частотою дискретизації). Саме цифрові сигнали є природними для використання в обчислювальних системах.
Над цифровими сигналами, так само як і над аналоговими, можуть бути виконані функціональні перетворення, описані вище. Наприклад, посилення аналогового сигналу еквівалентне множенню звітів цифрового сигналу на константу. У якості ж прикладу операції фільтрації в цифровій формі можна розглянути усереднюючий фільтр, що формує кожен наступний вихідний відлік за правилом:
де α - константа, зі зменшенням якої збільшується «ефект згладжування»; xi - відліки вхідного сигналу.
Поява цифрових сигналів в інформаційній системі призводить до нового типу функціональних перетворень - кодування. У вузькому(даний випадок) сенсі кодування є перетворення дискретних повідомлень(сигналів) в послідовність кодових символів, що формується за певним правилом. Безліч усіх послідовностей кодових символів утворює код. Сукупність кодових символів, з яких будуються послідовності, - кодовий алфавіт, а кількість кодових символів - основа коду.
Кодування тісно пов'язане з поняттям інформації. Інформація - міра невизначеності наших знань об те, що оточує нас дійсності. Найбільш елегантний опис елементів інформаційних систем, пов'язаних з передачею даних(СПД - систем передачі даних) виходить при використанні об'єктно-орієнтованих методик аналізу і синтезу систем. Широке поширення отримав порівняльний аналіз структури СПД з еталонною моделлю взаємодії відкритих систем(ЭМВОС або OSI - Open System Interconnection), запропонованою міжнародною організацією по стандартизації ISO(International Standards Organization).
Згідно моделі OSI, архітектура СПД розглядається у вигляді багаторівневої схеми(набору шарів, послідовно оброблювальних дані). На кожному рівні моделі робляться функціональні перетворення даних, спрямовані на досягнення певної мети.
Рівні моделі OSI розглядаються як об'єкти з чітко певними інтерфейсами(способами взаємодії) з вищестоящими уровнямиобъектами. Крім того, визначаються протоколи і формати представлення даних для взаємодії суміжних рівнів різних систем.
Суть моделі полягає в тому, що процедура передачі даних(інформаційної взаємодії джерела і приймача даних) розбивається на набір примітивних операцій, що послідовно виконуються об'єктами, співвіднесеними з рівнями моделі. Об'єкти однакових рівнів, що належать різним системам, взаємодіють відповідно до визначених для цього протоколів, незалежно від способів функціонування об'єктів, що лежать «під» ними. Об'єкти суміжних рівнів однієї системи надають один одному певний сервіс, відповідно до обумовлених інтерфейсів.
Об'єкти, що виконують функції рівнів, можуть бути реалізовані в програмному, програмно-апаратному або апаратному виді. Як правило, чим нижче рівень, тим більше долі апаратної частини в його реалізації.
Організація мережевої взаємодії обчислювальних систем, побудованої на основі ієрархічних рівнів, як описано вище, часто називається протокольним стеком.
Коротка характеристика рівнів моделі OSI:
Рівень додатка (Application) - інтерфейс з прикладними процесами.
Рівень представлення (Presentation) - узгодження представлення(форматів, кодувань) цих прикладних процесів.
Сеансовий рівень (Session) - встановлення, підтримка і закриття логічного сеансу зв'язку між видаленими процесами.
Транспортний рівень (Transport) - забезпечення безпомилкового наскрізного обміну потоками даних між процесами під час сеансу.
Мережевий рівень (Network) - фрагментація і складання передаваних транспортним рівнем даних, маршрутизація і просування їх по мережі від вузла-посилача до вузла-одержувача.
Канальний рівень (Data Link) - управління каналом передачі даних, управління доступом до середовища передачі, передача даних по каналу, виявлення помилок в каналі і їх корекція.
Фізичний рівень (Physical) - фізичний інтерфейс з каналом передачі даних, представлення даних у вигляді фізичних сигналів і їх кодування(модуляція).
Проілюструємо використання моделі OSI для опису(аналізу) протоколу Modbus - RTU. Протокол Modbus - RTU широко застосовується для організації передачі даних в системах управління збору інформації.
Стандарт Modbus - RTU визначає характеристики трьох рівнів, а саме фізичного, канального і рівня додатка(прикладного). Інші рівні, відповідно до моделі OSI, просто транслюють дані, не роблячи ніяких маніпуляцій над ними і не надаючи верхнім рівням ніяких додаткових сервісів, в порівнянні з низлежащими.
Рис. 2.23. Еталонна модель взаємодії відкритих систем(ЭМВОС або OSI)
