Лекция № 1 Введение в проблемы построения автоматизированных систем

Оглавление

Лекция № 1 Введение в проблемы построения автоматизированных систем. 3

1.1. Функциональные компоненты, необходимые для построения автоматизированного комплекса. 4

1.2. Особенности проектирования и основные требования к автоматизированным системам для научных исследований (АСНИ). 4

1.3. Принципы построения автоматизированных систем. 4

Лекция №2 Средства управления объектами автоматизации. 6

2.1. Архитектурные возможности ЭВМ. 6

2.1.1. Центральный процессор. 7

2.2. Основная память. 8

2.3. Каналы ввода-вывода информации. 8

Лекция №3 Принципы организации обмена данными между ЭВМ и внешними устройствами. 11

Лекция №4 Техническая реализация УСО в ЭВМ семейства IBM и методика управления обменом. 14

4.1. Программные средства реализации безусловного обмена данными в среде Borland Pascal 15

4.2. Обмен данными между ЭВМ и ВУ по готовности ВУ.. 16

4.2.1. Функциональная схема интерфейса ввода данных в ЭВМ по готовности ВУ. 17

4.3. Техническая реализация интерфейса в АС на основе ЭВМ семейства IBM PC.. 17

Лекция №5 Технические характеристики АЦП, усилитель, мультиплексор. 18

5.1 Программная модель интерфейса. 18

5.2 Алгоритм одноканальных измерений входного сигнала. 20

5.3. Методика управления и оценки состояния внешних устройств. 20

5.4. Проверка, установка, сброс отдельных разрядов регистра ВУ.. 20

Лекция №6 Обмен данными между ЭВМ и внешними устройствами с прерыванием текущей программы. 21

6.1 Принцип организации обмена данными. 21

6.2 Алгоритм обслуживания ВУ с прерыванием. 22

6.3 Блок-схема алгоритма обслуживания ВУ с прерыванием. 24

6.4 Механизм приоритетов. Вложенные прерывания. 24

6.5 Принципы построения интерфейса обмена данных с прерыванием программы. 25

6.6 Техническая реализация интерфейса обмена данными с прерыванием программы. 26

6.7 Программируемые режимы обслуживания ВУ. 26

6.8 Схема включения ПКП к системной шине ВУ. 27

6.9 Аппаратные прерывания в порядке их приоритетов и назначения. 27

6.10 Функциональный состав ПКП и его программная модель. 28

6.11 Алгоритм работы ПКП. 29

6.12 Схема каскадирования контроллеров прерывания. 29

Методика программирования контроллера прерываний: 30

6.13 Программирование ПКП в процессе обслуживания ВУ и работы системы. 30

6.14 Методика программирования обмена данными с прерыванием программы. 32

6.15 Реализация методики обмена данными с прерыванием программы между в ЭВМ в автоматизированных системах на основе ЭВМ семейства IBM PC в среде Borland Pascal. 32

6.16 Техническая реализация обмена данными с прерыванием программы. 32

6.17 Категории прерываний ЭВМ семейства IBM PC. 34

Лекция №7. Программируемые интервальные таймеры-счетчики (ПИТ). 35

7.1 Схема включения ПИТ к автоматизированной системе (АС). 36

7.2 Состав и назначение регистров каналов. 37

7.3 Формат регистров таймера. 37

7.3 Режимы работы таймера. 38

7.4 Методика программирования таймера. 39

7.5 Синхронизация операций реального времени. Системный таймер ЭВМ семейства IBM PC Intel 8254. 41

7.6 Реализация методики программирования таймера в среде Borland Pascal. 42

7.7 ПИТ Intel 8253 на интерфейсной плате L -154. 43

7.8 Многоканальное измерение сигналов. 44

Лекция №8 Автоматизированные системы на основе стандартных магистрально-модульных интерфейсов. 44

Лекция №9 Интерфейс КАМАК (CAMAC). 45

9.1 Конструктивная совместимость элементов системы. 45

9.2 Магистраль крейта КАМАК. 47

9.3 Пространственно-временные диаграммы на магистрали крейта. 49

9.4 Виды и назначение адресных операций на магистрали крейта. 49

Лекция №10 Технические средства на основе интерфейса КАМАК. Модули интерфейса КАМАК. 51

10.1 Схемы формирования статусных сигналов. 53

10.2 Управляющие модули КАМАК. 55

10.3 Программная модель КК типа ККП3 для ЭВМ семейства IBM PC. 56

10.4 Методика управления контроллером крейта и модулями КАМАК. 57

10.5 Методика построения программного обеспечения в АС на основе унифицированных магистрально-модульных интерфейсных систем. 58

Лекция №11 Разработка интерфейсно-ориентированной библиотеки процедур для управления крейтом КАМАК. 59

Лекция №12 Методика контроля состояния модулей в интерфейсе КАМАК. 61

Лекция№13 Компоненты АС на основе интерфейса КАМАК. 61

13.1 Разработка схемы прибора генератора с заданными амплитудно-частотными характеристиками. 63

13.2 Измерение временных параметров импульсных сигналов. 63

13.3 Схема соединения модулей. 65

13.4 Реализация прерываний от модуля КАМАК в автоматизированных системах. 67

Лекция №14 Обмен данными между ЭВМ и ВУ в режиме ПДП. 67

14.1 Алгоритм обмена в режиме ПДП. 68

14.2 Программная модель интерфейса ВУ и КПДП (минимальная конфигурация). 69

14.3 Реализация ПДП в ЭВМ на основе единого магистрального канала. 70

14.4 Реализация ПДП в ЭВМ на основе изолированного магистрального канала. 70

14.5 Назначение каналов контроллера ПДП и адреса регистров страниц. 72

Лекция №15 Функциональный состав и программная модель КПДП. 72

15.1 Блок управления. 72

15.2 Каналы контроллера ПДП. 74

15.3 Каскадирование контроллеров ПДП. 75

Лекция №16 Методика программирования контроллера ПДП. 76

Лекция№17 Реализация ПДП в АС на основе КАМАК. 77

17.1 Алгоритм выполнения КК операции ПДП. 77

ТСАиУ – приборы для управления, с помощью которых осуществляется измерение параметров и управление в автоматизированных системах.

Автоматизированная система (далее АС) – совокупность технических средств и математических методов, обеспечивающих управление объектом или процессом в соответствии с заданной целью.

По цели создания автоматизированные системы различают:

- АС для получения, преобразования или использования материала или энергии. (АСУТП, АСУП — АСУ предприятия, ОАСУ — отраслевая АСУ).

- АС для получения новой информации об объекте автоматизации. (АСНИ – автоматизированные система для научных исследований).

Основные вопросы курса:

1. Возможности ЭВМ различных видов для построения АС.

2. Методы обмена данными между ЭВМ и объектами автоматизации.

3. Типовые компоненты для реализации интерфейса.

4. Принципы построения и техническая реализация каналов измерения и управления объектом.

5. Алгоритмы обработки информации цифровыми методами.

1.1. Функциональные компоненты, необходимые для построения автоматизированного комплекса.

1. Объект автоматизации – воспроизводит исследуемый процесс или явление. Сюда относятся:

- Физические объекты

- Физические модели объектов

- Математические модели.

2. Устройство непосредственного управления объектом (исполнительные органы). Служит для изменения состояния объекта в соответствии с сигналами на их входах.

3. Устройства измерения параметров объекта автоматизации (датчики). Служит для преобразования информации в объекте в форму для дальнейшего использования — обычно электрический сигнал.

Объект автоматизации снабженный датчиками и устройствами управления называется экспериментальной (или технологической) установкой

4. Автоматизированная система – комплекс технических средств, обеспечивающих управление объектом автоматизации, обработки, хранения, отображения информации.

5. Оператор (в АСУТП - технолог, в АСНИ - экспериментатор) может вмешиваться в работу системы.

Объект автоматизации, снабженный устройствами управления и измерения, называется – технологическая установка (экспериментальная установка).

Рис. 1.1. Автоматизированный комплекс.

Программное обеспечение (ПО) автоматизированной системы включает:

1. Драйверы, т.е. набор команд для управления устройством связи с объектом (УСО).

2. Прикладное ПО – выполняет различного рода обработку сигналов объекта.

1.2. Особенности проектирования и основные требования к автоматизированным системам для научных исследований (АСНИ).

1. АСНИ создаются в условиях дефицита информации о свойствах объекта и предназначены для ее получения.

2. Методика исследований меняется в ходе исследования объекта.

3. Сам объект характеризуется эволюционностью, т.е. изменяется исследователем в процессе его изучения.

Основное требование к АСНИ – гибкость системы. Это требование означает, что:

1. Система должна допускать простую замену элементов системы с требуемыми характеристиками или иным функциональным назначением.

2. Система должна иметь возможность расширения, т.е. простого добавления элементов и включения их в систему.

3. Система должна иметь возможность гибкой перенастройки алгоритмов и методики исследования.

1.3. Принципы построения автоматизированных систем.

1. Применение ЭВМ в качестве центрального компонента. Достоинства ЭВМ;

- Время реакции ЭВМ на внешнее воздействие составляет единицы микросекунд, может доходить до долей микросекунд.

- Способность принимать в свои запоминающие устройства большие объемы информации со скоростью сотни Кб/с.

- Возможность быстрой перестройки алгоритмов.

- Диалоговое взаимодействие с оператором предоставляет ему возможность оперативно вмешиваться в работу системы.

2. Иерархический принцип построения АС.

В соответствии с этим принципом АС делятся на 2 уровня:

1) Объектно-ориентированные подсистемы. Как правило, располагаются вблизи от ОА и решают следующие задачи:

- Измерение параметров объекта в реальном времени,

- Управление объектом,

- Сбор данных измерений,

- Оперативная обработка,

- Представление данных оператору и их временное хранение.

2) Инструментальные подсистемы могут находиться вдали от ОА и решают следующие задачи:

- Подготовка и отладка программ работы АС,

- Управление объектными подсистемами,

- Обработка информации в режиме разделения времени,

- Накопление, длительное хранение информации,

- Документирование результатов.

3. Модульный принцип построения аппаратных средств.

Предусматривает выполнение отдельных компонентов системы в виде законченных модулей фиксированного назначения. Совокупность модулей должна покрывать задачи автоматизированной системы.

Примеры типовых модулей:

- АЦП – аналого-цифровой преобразователь,

- Усилитель аналоговых сигналов,

- Коммутатор (мультиплексор),

- ЦАП – цифро-аналоговый преобразователь,

- Таймеры.

4. Программная управляемость модулей.

Дает возможность программным путем управлять работой модулей и даже изменять их технические характеристики.

5. Магистральная организация системы.

Предусматривает наличие общей системы проводников (магистрали), к которой подключаются отдельные модули, в том числе и ЭВМ. Наличие общей магистрали обеспечивает одинаковую доступность любого компонента системы для ЭВМ.

6. Унификация программных и аппаратных средств.

Позволяет использовать ограниченный набор модулей, выполненных в соответствии со стандартами, для реализации различных систем. Унификация программных средств позволяет снизить сроки разработки.