Базовые модули сбора-обработки данных для построения аппаратуры автоматизации физического эксперимента с одновременным количественным контролем основных параметров тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.13.05, кандидат технических наук Самосадный, Алексей Валерьевич

• Самосадный, Алексей Валерьевич
• кандидат технических наук
• 2008

Заключение диссертации по теме «Элементы и устройства вычислительной техники и систем управления», Самосадный, Алексей Валерьевич

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.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Самосадный, Алексей Валерьевич, 2008 год

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