УДК 621.3.049.77+681.586

О.Н.Пьявченко, д-р техн. наук, проф., Таганрогский государственный радиотехнический университет,

А.Е.Панин, д-р техн. наук, проф., НКТБ “Пьезоприбор” Ростовского государственного университета,

Е.А.Мокров, д-р техн. наук, ФГУП НИИ физических измерений (г. Пенза)

Принципы построения и архитектура перспективных информационно-измерительных систем мониторинга, диагностики и управления на базе интеллектуальных датчиков

Рассмотрены принципы построения интеллектуальных датчиков, на основе которых реализуются современные информационно-измерительные системы. Описана архитектура этих систем.

Создание современных систем мониторинга, диагностики и управления идет по пути построения различных иерархических распределенных микрокомпьютерных систем. При этом на их нижнем уровне вместо сравнительно простых устройств сопряжения с объектом все чаще используются микропроцессорные системы преобразования и измерения снимаемых с датчиков сигналов. Такие системы могут не только считывать и представлять сигналы цифровыми кодами, но и градуировать их с учетом температурных и временных искажений, вносимых в характеристики датчиков, составлять предварительные заключения о состоянии объекта, постоянно отслеживать собственную работоспособность и поддерживать ее при аппаратурных отказах, осуществлять обмен информацией через сетевые каналы.

В основе построения таких систем лежат “интеллектуальные датчики”, в которых в моноблоке вместе с аналоговой частью, подключаемой к чувствительному элементу, используется цифровая часть на базе сигнальных микропроцессоров и микроконтроллеров. Эта цифровая часть обеспечивает не только более качественную обработку значений сигналов, но и организацию обмена данными через сетевые каналы.

Одним из перспективных классов систем преобразования и измерения, сигналов датчиков являются распределенные информационно-измерительные системы, строящиеся на основе интеллектуальных датчиков.

В интеллектуальном датчике к аналоговой части, которая усиливает, нормирует и фильтрует сигнал чувствительного элемента, подключается цифровая часть, созданная на базе микропроцессоров со встраиваемой архитектурой (рис. 1) [1]. При этом цифровая часть не только обеспечивает более качественную обработку сигналов и выявление отказов аппаратных средств датчика, но и организует обмен информации через сетевые каналы.

Рис. 1. Структура интеллектуального датчика

Такой подход к построению датчиков уже сегодня позволяет во многом реализовать проявившиеся в последние годы тенденции их совершенствования:

· увеличение числа функций предварительной обработки сигнала, считываемого с чувствительного элемента, и системных функций, связанных с организацией распределенных вычислений в системе;

· преобладание функций, реализуемых численными методами на встраиваемых микропроцессорах и микроконтроллерах;

· уменьшение чувствительности к помехам и понижение уровня собственных шумов на этапе предварительной обработки сигнала;

· повышение точности измерений датчика за счет компьютерной реализации в нем алгоритмов компенсации температурных и временных погрешностей чувствительного элемента;

· регистрация и хранение информации о выходах измеряемой переменной за установленные пределы;

· дистанционно программируемая калибровка выходной величины;

· программные конфигурирование и форматирование датчика по командам канала управления;

· организация протокольного обмена выходными данными через сетевой канал с компонентами системы;

· введение самоконтроля отказов аппаратных средств датчика;

· рост степени защиты результатов измерений от несанкционированного доступа.

В то же время в результате развития функциональных возможностей интеллектуальные датчики наряду с персональными компьютерами, одноплатными микроЭВМ и др. становятся базовыми модулями для построения распределенных информационно-измерительных систем (РИИС).

РИИС представляют собой предназначенные для измерения и преобразования сигналов датчиков в реальном масштабе времени распределенные разнородные многоканальные многофункциональные комплексы специализированных микропроцессорных модулей, объединенных операционной системой и информационной сетью.

Для иллюстрации возможностей, открывающихся при создании аппаратно-программных средств микропроцессорных распределенных информационно-измерительных систем, сформулируем принципы и определим тенденции развития их архитектуры.

На современном этапе построения РИИС основной акцент делается на расширение разновидностей реализуемых функций в целях:

· обеспечения более точных и надежных измерений;

· организации самодиагностики и увеличения живучести;

· развития сетевых интерфейсов и адаптации к индивидуальным требованиям потребителей.

При этом список функций, реализуемых РИИС, включает не только традиционно выполняемые в устройствах сопряжения с объектом (УСО) [2] съем, усиление – нормирование, фильтрацию и аналого-цифровое преобразование сигналов, но и функции, реализуемые, как правило, на микроЭВМ более высокого уровня: градуировку, оценку результатов измерений, самодиагностику, программирование архитектуры, формирование, упаковку и передачу информации по сетевым каналам и др.

Для реализации этих функций РИИС предлагается строить на основе принципов, характерных для современных архитектур модульных устройств сопряжения с объектом, промышленных сетей микроконтроллеров, мультимикропроцесорных вычислительных систем, одноплатных микроЭВМ и др. К этим принципам относятся:

1. Многоканальная обработка.

2. Микропроцессорная и микроконтроллерная организация.

3. Организация сетевого протокола обмена информацией по внешним каналам.

4. Обеспечение независимости метрологических характеристик каналов измерения от внешних каналов обмена информацией.

5. Структуризация вычислительного процесса, основанная на выделении проблемных, управляющих и коммуникационных процедур.

6. Аппаратно-программная поддержка основных процедур.

7. Конвейеризация и распараллеливание обработки информации в реальном масштабе времени.

8. Модульная структура программных и аппаратных средств.

9. Специализация модулей на реализацию процессов.

10. Увеличение объема и глубины самоконтроля.

11. Программируемость архитектуры ИДИС.

12. Многоуровневая адаптируемость к изменяемым требованиям благодаря возможности модернизации и развития прикладного и системного программного обеспечения, гибкого наращения аппаратных средств, а также возможности модернизации аппаратных модулей и их замены более совершенными.

При этом архитектура РИИС представляется как проблемно-ориентированная многоканальная многофункциональная многомодульная многоконвейерная параллельная самоконтролируемая перепрограммируемая адаптируемая открытая система.

В качестве примера приведем простую распределенную информационно-измерительную систему, в которой измерение переменных осуществляется интеллектуальными датчиками () (рис. 2). Информация о результатах измерений и их обработки пересылается в микро-ЭВМ по протоколам через сеть, построенную на основе общей шины. МикроЭВМ управляет процессом сбора данных, осуществляет дополнительную обработку и концентрирует результаты. При необходимости эти результаты считываются через сетевой канал в системы более высокого уровня, например, в систему диагностики объекта или в систему автоматизированного управления объектом.

Рис. 2. Сетевая архитектура сетевой информационно-
измерительной системы

Тенденции развития архитектуры информационно-измерительных систем:

· формирование архитектур систем в виде сетевых иерархических микрокомпьютерных объединений с распределенными базами данных и обработкой данных, считываемых с датчиков в реальном масштабе времени;

· расширение числа функций, реализуемых в системах;

· углубление и усложнение обработки считываемых с датчиков данных, направленные на увеличение информативности формируемых результатов при сокращении объемов хранения малоинформативных данных;

· развитие объемов числовой обработки данных на иерархических уровнях системы, в том числе на первом уровне, на котором реализуется предварительная обработка сигналов датчиков;

· организация сетевого протокола обмена данными по каналам обмена информацией;

· сокращение числа каналов передачи аналоговой информации в пользу цифровых каналов, обеспечивающее снижение чувствительности систем к внешним помехам;

· обеспечение независимости метрологических характеристик каналов измерения от внешних каналов обмена информацией;

· увеличение объема и глубины самоконтроля систем;

· рост степени защиты данных от несанкционированного доступа.

Приведенной архитектуре присущи все достоинства и недостатки сетевой организации. Из последних наиболее существенными являются значительные затраты времени и оборудования на организацию обмена информацией по каналам связи, что отрицательно сказывается на производительности и массогабаритных характеристиках РИИС.

Ослабить эти недостатки можно при построении РИИС в виде объединенных сетью многоканальных многофункциональных модульных информационно-измерительных систем (МИИС). На рис. 3 приведена ориентированная на измерения давления и температуры 12-канальная МИИС.

Рис. 3. Модульная информационно-измерительная система

Основу обрабатывающей части МИИС составляют модифицированные интеллектуальные датчики, представленные в виде функционирующих параллельно модулей измерительных каналов (). В интерфейс сопряжения с внешним сетевым каналом заменен более простым интерфейсом сопряжения со скоростной шиной обмена.

Сигналы с чувствительных элементов поступают на модули измерительных каналов (), в которых усиливаются, нормируются, фильтруются, оцифровываются и обрабатываются. С выходов модулей обработанные значения сигналов через скоростную шину обмена считываются в модуль связи с сетевым каналом МСК, где концентрируются, оцениваются, компонуются в сообщения. По мере необходимости сообщения через мультиплексные каналы информационного обмена МКИО 1 и МКИО 2 выдаются соответственно в систему управления и в диагностическую систему. Модуль системного управления и службы реального времени МСУ и СРВ обеспечивает управление измерителем в заданных режимах, в том числе вводом во FLASH и модульные программные запоминающие устройства программ обработки и данных для настройки модулей и конфигурирования системы. Оперативное запоминающее устройство используется в качестве буферного для поддержания высокого темпа обмена информацией в МИИС. Генерирование эталонных сигналов, необходимых для контроля состояния измерительных каналов и диагностики, осуществляется модулем МГЭС. Требуемые номиналы напряжений формируются в блоке внутреннего питания БВП.

Проблемная ориентация МИИС достигается на этапах системного и структурного проектирования в результате применения процессного и параметрического проектирования.

Особенности процессного проектирования заключаются в синтезе структуры МИИС и временных диаграмм ее работы в результате разработки схем инициирования и управления функционированием МИИС в основных режимах работы, в разработке схем базовых процессов и объединений их в группы, реализуемые в модулях.

Особенности системного проектирования состоят в построении оптимизированной структуры многомодульной микропроцессорной МИИС в результате выбора численных методов и разработки машинных алгоритмов, оценки их параметров и уточнении типов и числа модулей исходя из сформированных требований.

В основу конструкции МИИС предлагается положить принципы комплектования систем из модулей различных типов со стандартизированными межмодульными информационными и управляющими связями, развиваемости и адаптируемости модулей, возможности применения модулей без системных плат и с открытым рядом системных плат.

В заключение заметим, что если на современном этапе создания РИИС основной акцент делается на расширении их функциональных возможностей, то в недалеком будущем в их состав войдут средства искусственного интеллекта для поддержки решений в процессе оценок измеряемых переменных, контроля, формирования диагноза и т.д.

Список литературы

1. Шлет М. Тенденции индустрии встроенных микропроцессоров // Открытые системы. 1998. № 6.

2. Локотков А. Устройства связи с объектом. Модули фирмы ADVANTECH // СТА. 1997. № 2.

Наверх