Назначение. Многофункциональная плата аналого-цифрового ввода-вывода предназначается для организации на основе персонального компьютера IBM PC специализированной автоматизированной измерительной системы, либо типовой виртуальной измерительной системы, позволяющей:
· производить измерение напряжений постоянного тока;
· вводить образцы сигналов с последующим хранением в буферном ОЗУ с целью дальнейшего измерения их амплитудных и временных характеристик, а также для последующей цифровой обработки;
· генерировать гармонические колебания с заданной частотой (один канал);
· устанавливать напряжения постоянного тока (два канала);
· производить ввод или вывод цифровых сигналов с ТТЛ-уровнями, что может быть использовано также для связи с другими приборами, работающими в составе АИС;
· производить измерение частоты в любом из каналов цифрового или аналогового ввода.
Область применения. Универсальные платы ввода-вывода (АЦП/ЦАП), работающие на шинах PCI-Express, PCI и ISA используются для автоматизации измерений, для создания автоматизированных систем управления технологическими процессами (АСУТП). Могут применяться для цифровой обработки сигналов, промышленной автоматизации, управляемого эксперимента, оцифровки аналоговой информации, в составе промышленных контроллеров, для автоматизация сбора и обработки аналоговой и цифровой информации.
Структурная схема. Компьютерные системы различного назначения - управляющие технологическими процессами, информационно-измерительные, сбора данных, диагностические - подключаются к объектам автоматизации с помощью устройств связи с объектами (УСО). В состав УСО входят датчики, исполнительные устройства, нормирующие преобразователи и преобразователи формы информации, устройства коммутации сигналов и управления нагрузками, а также интерфейсные схемы для сопряжения с шинами компьютера.
Датчики преобразуют с заданной точностью физические величины или параметры объектов (например, температуру, давление, ускорение, скорость, перемещение и др.) в электрические сигналы напряжения или тока, которые могут быть аналоговыми, дискретными, импульсными. Далее нормирующими преобразователями эти сигналы усиливаются (приводятся к стандартным диапазонам), фильтруются, гальванически изолируются, линеаризуются. Устройства коммутации выполняют мультиплексирование входных сигналов. Преобразователи формы информации осуществляют аналого-цифровое и цифро-аналоговое преобразование сигналов, преобразование частоты в цифровой код и обратно и т.п. С помощью интерфейсных схем производится ввод или вывод цифровых сигналов по принятым протоколам через ту или иную шины компьютера. Устройства управления нагрузками - реле, транзисторные усилители и ключи - формируют выходные сигналы заданной мощности для исполнительных устройств, управляющих объектами и процессами.
Датчики (первичные преобразователи) и исполнительные устройства находятся непосредственно на объекте. Нормирующие преобразователи и преобразователи формы информации, устройства коммутации сигналов и управления нагрузками, а также интерфейсные схемы интегрируются на специальных электронных модулях (платах), которые называются устройствами ввода-вывода сигналов (УВВС). Нередко с целью обеспечения гибкости и возможности работы УВВС с различными датчиками и исполнительными устройствами нормирующие преобразователи и устройства управления нагрузками реализуют в виде отдельных самостоятельных модулей (модулей нормализации и управления нагрузками), конструктивно вынесенных за пределы УВВС. Это позволяет, изменяя номенклатуру модулей нормализации и управления нагрузками, использовать одно и тоже УВВС для решения разных задач управления и контроля.
Таким образом, с функциональной точки зрения в УСО можно выделить три компоненты:
1. датчики и исполнительные устройства (Д и ИУ);
2. модули нормализации и управления нагрузками (Н и УН);
3. устройства ввода-вывода сигналов (УВВС).
УВВС является системообразующей компонентой УСО, обеспечивающей
информационное взаимодействие датчиков, исполнительных устройств и компьютера. Структурная схема и алгоритм работы УВВС определяют структуру и алгоритм работы УСО. В зависимости от топологии структурной схемы все УВВС (и соответственно все УСО) разделяются на две группы - централизованные УВВС и распределенные УВВС.
Централизованные УВВС используются для создания несложных автономных компьютерных систем управления небольшими объектами, поэтому такие УВВС иногда называют локальными. Структурная схема централизованных УСО и УВВС изображена на рис.1.1. В таких устройствах каждый датчик или исполнительное устройство подключаются к УВВС компьютерной системы с помощью индивидуальной линии связи, т.е. по радиальной структурной схеме. Учитывая высокие стоимости медных линий связи и работ по их прокладке, применение централизованных УВВС для сопряжения с протяженными и сложными объектами экономически нецелесообразно. Централизованные УВВС, как правило, подключаются с помощью шинной интерфейсной схемы к системной шине расширения (либо к одной из внешних шин) компьютера, поэтому эти УВВС размещают в корпусе компьютера или рядом с ним. Обычно управление работой УВВС этой группы производится компьютером, поэтому наличие собственных процессоров у этих УВВС не является обязательным, хотя современные УВВС нередко содержат встроенные цифровые процессоры сигналов (ЦПС) или программируемые логические интегральные схемы (ПЛИС).
Распределенные УВВС используются для создания компьютерных систем управления сложными и протяженными (сотни – тысячи метров) в пространстве объектами. Например, на железнодорожном транспорте это системы управления сортировочными горками, диспетчерские центры управления движением проездов,
энергоснабжением и т.п. Распределенное УВВС, структурная схема которого изображена на рис.1.2., реализуется на основе локальных УВВС, объединяемых специальными промышленными коммуникационными сетями – полевыми шинами (Fieldbus). Сети Fieldbus являются разновидностью коммуникационных сетей общего назначения, предназначенной для работы в промышленных условиях. Их отличительными особенностями являются высокая помехоустойчивость, предсказуемость времени доставки информации, невысокая стоимость и возможность самовосстановления в случае нештатных ситуаций. Примерами
промышленных сетей являются сети Modbus, Profibus, Industrial Ethernet, Interbus, DeviceNet, CANopen, Foundation Fieldbus, LONWorks, ASI.
Основные характеристики. Набор характеристик можно разделить на следующие группы, каждая из которых описывает те или иные средства УВВС: системные, аппаратные, программные, конструктивные.
Характеристики системного обеспечения определяют:
• тип УВВС – централизованное или распределенное;
• вид шины компьютера (для централизованных УВВС), к которой подключается устройство;
• вид промышленной сети (для распределенных УВВС), к которой подключается устройство;
• состав специальных системных средств для счета реального времени, парирования сбоев, для горячей замены и т.д;
• возможность работы в режимах прямого доступа к памяти (DMA) или прямого управления шиной (Bus mastering).
Характеристики аппаратного обеспечения определяют:
• тип входных и выходных сигналов (аналоговые, дискретные, частотные и др.) и их параметры (величина амплитуды, мощность, частотный диапазон и т.д.);
• количество входных и выходных каналов;
• тип аналоговых входов (дифференциальный или с общим проводом);
• точность АЦП и ЦАП, определяемая числом разрядов преобразователей и их нелинейностью;
• время АЦ и ЦА преобразования, апертурное время и максимальная частота выборки АЦП;
• схема запуска АЦП (внешним сигналом, внутренним программно управляемым таймером и др.);
• максимальные скорости ввод–вывода сигналов;
• наличие и емкость внутреннего буфера памяти.
Характеристики программного обеспечения определяют:
• тип операционной системы;
• наличие готовых драйверов для УВВС;
• наличие библиотеки готовых функций в поставляемом ПО для проектирования собственных драйверов;
• наличие специальной графической среды для разработки ПО для УВВС.
Общие и конструктивные характеристики определяют:
• требования к электропитанию;
• тип конструкции и размеры;
• условия эксплуатации: диапазон рабочих температур, относительная влажность воздуха, предельные вибрационные и ударные нагрузки;
• степень защиты IP;
Принцип работы. Для интеграции УВВС в компьютерные системы используются различные компьютерные шины (интерфейсы). Способ подключения УВВС определяется выбором того или иного типа шины, который задает протокол обмена, аппаратный интерфейс и конструктивные параметры устройств. Система компьютерных шин приведена на структурной схеме на рис.2.1. Из многочисленных шин, приведенных на этой схеме, для подключения УВВС обычно применяют системные шины расширения и шины внешних периферийных устройств.
Системные шины расширения предназначены для подключения к системной плате компьютера адаптеров (контроллеров) различных устройств, расширяющих возможности базовой модели компьютера. Системные шины расширения и их слоты (разъемы) размещаются на системной плате компьютера, поэтому дополнительные адаптеры (контроллеры) устанавливаются внутри корпуса компьютера, вовне выводятся только их внешние разъемы. Наиболее распространенными системными шинами расширения являются шины ISA и PCI.
Шина ISA (Industry Standard Architecture) была специально разработана для персональных компьютеров типа IBM PC и применяется с первых моделей таких компьютеров. Это параллельная шина с раздельными линиями адреса и данных. Обмен осуществляется 8- или 16-разрядными данными. Максимальный объем адресуемой памяти – 16 Мбайт (24 адресные линии). Максимальное адресное пространство для устройств ввода-вывода 64 Кбайт (16 адресных линий), хотя все практически выпускаемые адаптеры (платы) расширения используют только 10 адресных линий (1 Кбайт). В распоряжение абонентов шины выделено 11 линий запросов на прерывания и 6 каналов прямого доступа к памяти. Допускается захват и управление шиной другими активными (кроме процессора) устройствами – Bus-Masters. Шина имеет невысокое быстродействие – ее тактовая частота всего 8 МГц, т.е. теоретическая скорость обмена не превышает 16 Мбайт/сек. Конструктивно слот ISA выполнен в виде двух щелевых разъемов с 62 и 36 контактами. В 8-разрядной версии ISA используется только 62 – контактный разъем, а в 16-разрядной версии – оба разъема. В настоящее время область применения шины ISA в офисных компьютерах постоянно сужается вследствие вытеснения ее более современной шиной PCI. Зато в промышленных компьютерах и контроллерах эта дешевая и надежная шина используется по-прежнему широко.
На базе шины ISA разработана более совершенная шина EISA (Extended ISA). Конструктивное исполнение EISA обеспечивает совместимость с ней и обычных ISA–адаптеров. Шина EISA имеет 32 линии для передачи данных, 32 адресных линии, что позволяет адресовать до 4 Гбайт памяти. Тактовая частота шины по-прежнему равна 8 МГц, но благодаря специально предусмотренному пакетному режиму передачи предельная скорость обмена достигает 33 Мбайт/сек. Для арбитража выделены особые линии, индивидуальные для каждого разъема, число которых может достигать 8.
Шина PCI (Peripheral Component Interconnect) является наиболее распространенной и популярной системной шиной расширения в современных компьютерах различного назначения. Это синхронная мультиплексированная шина, обеспечивающая передачу 32-разрядных кодов адресов и данных с тактовой частотой 33 МГц. Таким образом, скорость обмена для типовых версий шины (например, версии 2.1.) достигает 132 Мбайт/сек. Новые версии шины PCI допускают тактовую частоту 66 МГц, а формат данных – 64 бит, что позволяет получать скорости обмена 264 и 528 Мбайт/сек. Высокие скорости обмена шины достигаются также благодаря введенному пакетному режиму передачи. Каждый пакет начинается циклом адреса, за которым следует один или несколько циклов данных. Исключение передачи цикла адреса для каждого цикла данных в пакетном режиме позволяет сократить время передачи и, следовательно, увеличить скорость обмена. На одной шине PCI может быть установлено не более четырех слотов: 124-контактных для 32-разрядных данных или 188-контактных для 64- разрядных данных. Для увеличения числа слотов шины PCI или подключения ее к другим шинам применяются мосты шины PCI (PCI Bridge).