Содержание
Введение
1. Структура и технические средства ИИС. Выбор ЭВМ
1.1 Функциональные возможности
1.2 Условия эксплуатации
1.3 Эргономичность
1.4 Возможность наращивания числа решаемых задач
1.5 Стоимость
1.6. Обслуживание
2. Базирующие устройства
Заключение
Литература
Список сокращений
АЦП — аналого-цифровой преобразователь
ВИП — вторичный измерительный преобразователь
ИВК — измерительно-вычислительныйкомплекс
ИИС — измерительная информационнаясистема
ИК — измерительный канал
ИО — исследуемый (измеряемый) объект
МО — метрологическое обеспечение
(Н) МХ — (нормируемые) метрологическиехарактеристики
ПИП — первичный измерительный преобразователь(датчик)
ПК — персональный компьютер
ПМО — программно-математическое обеспечение
САК — системы автоматического контроля
СИ — средства измерений
СКО — среднеквадратичное отклонение(стандартное отклонение)
ЦАП — цифро-аналоговый преобразователь
ЭВМ — электронная вычислительнаямашина
Введение
Тема контрольной работы «Структураи технические средства информационных измерительных систем. Выбор ЭВМ.Базирующие устройства» по дисциплине «Информационные измерительные системы».
Применение и развитие измерительнойтехники всегда было обусловлено потребностями производства, торговли и других сферчеловеческой деятельности. Контрольно-измерительные операции давно стали неотъемлемойчастью технологических процессов и в значительной степени определяют качество выпускаемойпродукции. Прогресс измерительной техники неразрывно связан с научно-техническимпрогрессом. Новые научные и технические задачи приводят и к новым измерительнымзадачам, для решения которых нужны новые средства измерений (СИ), а новые научныеи технические результаты влияют на уровень измерительной техники:
повышается точность измерений, ирасширяются диапазоны измерения;
растет номенклатура измеряемых величин;
увеличивается производительностьизмерительных операций, и за счет их автоматизации уменьшается влияние человеческогофактора;
возрастает число выполняемых функций.
ИИС являются одним из наиболее ярких примеров этой взаимосвязи.Появление ИИС обусловлено в первую очередь конкретными задачами производства и научныхисследований, требующих получения, обработки, отображения и хранения больших объемовизмерительной информации. Практическое решение этих задач оказалось возможным благодарябурному развитию вычислительной техники и измерительной техники, в частности первичныхизмерительных преобразователей (датчиков).
1. Структура и технические средства ИИС. Выбор ЭВМ
ЭВМ в составе ИИС выполняет следующиеосновные функции:
управление процессом сбора первичнойизмерительной информации путем подачи соответствующих команд на АЦП, вторичные преобразователии устройства, оказывающие воздействие на исследуемый объект;
обработка первичной измерительнойинформации в соответствии с алгоритмом, определяемым целевым назначением ИИС;
отображение результатов обработкив форме, удобной пользователю;
хранение массивов первичной измерительнойинформации и результатов измерений и их дальнейшая обработка при постановке задачболее высокого уровня.
К числу вспомогательных функций ЭВМ можно отнести тестированиесостояния отдельных узлов и ИК ИИС, организацию их самонастройки, управление каналамисвязи и некоторые другие.
Из перечисления функций ЭВМ видно,что ее состав и характеристики определяются содержанием задач, решаемых ИИС. В этомотношении дать какие-либо общие рекомендации сложно. Поэтому остановимся на выбореодного из двух используемых вариантов ЭВМ:
серийно выпускаемый персональныйкомпьютер;
специализированное вычислительноеустройство, спроектированное и выпускаемое для конкретной ИИС или достаточно узкогокруга ИИС.
Рассмотрим кратко преимущества инедостатки этих вариантов в различных аспектах.1.1 Функциональные возможности
Современные ПК обладают весьма широкимифункциональными возможностями, достаточными для решения большинства практическихзадач. Однако специализированные вычислительные устройства, создаваемые в настоящеевремя на базе микропроцессоров и других больших интегральных схем, также имеют практическинеограниченные функциональные возможности. При необходимости они могут сопрягатьсяс различными устройствами отображения и иметь многообразные интерфейсы. Поэтомупо отношению к функциональным возможностям оба варианта эквивалентны. При этом следуетотметить, что функциональные возможности ПК (быстродействие, объемы памяти и др.)более чем на 90% используются на обеспечение сервиса (простоты программирования,удобства общения, наглядности отображения и т.п.). Для решения чисто инженерныхзадач достаточно нескольких процентов ресурса современных ПК.
1.2 Условия эксплуатации
Большинство ПК предназначено для работы в условиях офисов, могутиспользоваться и в лабораториях. Однако для производственных и других сложных условий,где может понадобиться защита от воздействия пыли, влаги, электромагнитных помехи других внешних факторов, они мало пригодны. Ряд фирм выпускает ПК для неблагоприятныхусловий эксплуатации. Такие промышленные компьютеры используются, например, в координатно-измерительныхмашинах и в автоматизированных приборах для контроля высокоточных зубчатых колес.Однако они дороги и их номенклатура ограничена. Поэтому во многих случаях целесообразнееиспользовать специализированные вычислительные устройства, для которых проще обеспечитьнадежную работу в жестких условиях эксплуатации. Примером таких специализированныхсерийно выпускаемых устройств являются электронные блоки систем числового программногоуправления металлообрабатывающим оборудованием.
информационная измерительная интерфейсное устройство
1.3 Эргономичность
ПК имеют хорошо развитую систему органов управления и отображения.Это свойство, безусловно положительное при работе в офисе или лаборатории, для производственныхусловий может оказаться отрицательным. Большое количество клавиш затрудняет работуоператора и может привести к субъективным сбоям. В производственных условиях наклавиатуру иногда ставят дополнительный кожух, закрывающий неиспользуемые клавиши.В специализированном устройстве можно предусмотреть только те органы управленияи отображения, которые необходимы для данной ИИС, и обеспечить большее удобствоэксплуатации по сравнению с универсальными ЭВМ.
1.4 Возможность наращивания числа решаемых задач
Гибкие ИИС, у которых число решаемыхзадач наращивается при эксплуатации, можно создавать только на персональных ЭВМ.Обеспечить такую гибкость при использовании специализированных устройств практическиневозможно.
1.5 Стоимость
Стоимость крупносерийной продукцииниже, чем единичного или мелкосерийного изделия. Поэтому стоимость ПК, несмотряна его избыточность, может оказаться сопоставимой или даже ниже, чем стоимость болеепростого специализированного устройства, выпускаемого в небольших количествах. Однакостоимость компьютеров с высокой степенью защиты в несколько раз больше стоимостикомпьютера для работы в нормальных условиях. Объемы выпуска таких компьютеров нанесколько порядков ниже. Поэтому преимущества за счет большой серийности для нихотсутствуют. В стоимость специализированного устройства часто приходится включатьстоимость его разработки или доработки базового исполнения. Перечисленные факторыдействуют в противоположных направлениях. Поэтому с точки зрения стоимости в общемслучае нельзя сделать однозначный вывод о предпочтительности одного варианта переддругим.
1.6. Обслуживание
Обслуживание и замена крупносерийногоизделия всегда проще, чем специализированного. В этом смысле преимущество персональнойЭВМ бесспорно. Однако надежность современных электронных компонентов настолько высока,что заменять их приходится довольно редко. Из изложенного следует, что в каждомконкретном случае выбор между серийным ПК и специализированной ЭВМ производитсяиндивидуально с учетом всех влияющих факторов. Относительно общий характер имеюттолько два вывода:
в гибких ИИС, используемых, как правило,при научных исследованиях, следует использовать ПК;
для производственных условий, особеннопри неблагоприятном характере внешних факторов, следует использовать или промышленныеПК, или специализированные вычислительные устройства.
Следует отметить возможность промежуточноговарианта. Ряд фирм выпускает единичные или мелкосерийные электронные блоки, в томчисле и специализированных вычислительных устройств, на основе своих базовых разработок,адаптируя их к конкретным требованиям потребителя. Адаптация, в частности, проводитсяв отношении органов управления и отображения, связи с внешними устройствами, объемовпамяти и т.д. В этом случае сохраняются положительные свойства серийной продукции(объем базовой части составляет 80.90% общего объема специализированного устройства),а за счет адаптации (доработка оставшихся 10.20%) исключается избыточность и обеспечиваютсятребуемые эргономические свойства.
В данной работе мы говорим о выборецентральной ЭВМ, обеспечивающей основную обработку и хранение измерительной информациии выдачу ее пользователю. Однако в различных узлах ИК также могут использоватьсямикропроцессорные устройства для первичной обработки измерительной информации, выполненныена базе серийно выпускаемых БИС.
2. Базирующие устройства
Преобразователи, каналы связи, ЭВМи интерфейсные устройства являются серийно выпускаемыми изделиями, которые могутиспользоваться в качестве унифицированных комплектующих в ИИС самого различногоназначения. Несколько иным является базирующее устройство, на котором размещаютсядатчики и во многих случаях ИО. Это устройство не является ни средством измерения,ни средством вычислительной техники. По традиционной классификации технических средств,используемых в процессе измерения, оно должно быть отнесено к вспомогательным средствам.Базирующее устройство выполняет две основные функции:
обеспечение взаимодействия датчиковс ИО (датчики могут быть контактными или бесконтактными, что не меняет сущностиэтой функции);
подача на ИО воздействий, обеспечивающихполучение необходимой первичной измерительной информации.
Из сказанного следует, что конструкцияи функции конкретных базирующих устройств столь же многообразны, как и виды ИО ирешаемые при их исследовании измерительные задачи.
Проиллюстрируем это несколькими примерами.
1) При метеорологических наблюдениях окружающей среды ИО не можетбыть размещен ни на одном базирующем устройстве. Компонентами базирующего устройствав этом случае будут, в частности, будки метеостанций наземного наблюдения. Эти компонентыдостаточно просты по конструкции, хотя и должны удовлетворять определенным требованиям.В частности, на датчик канала измерения температуры не должен непосредственно падатьсолнечный свет, будка должна хорошо вентилироваться, в нее не должны проникать осадки.Однако для метеорологических исследований используются и более сложные и специфичныебазирующие устройства, на которых устанавливаются метеодатчики: метеорологическиезонды и ракеты, искусственные спутники Земли. При сборе первичной метеорологическойинформации не предполагаются какие-либо воздействия на ИО, однако управление процессомсбора данных и фиксирование перемещения датчиков или управление ими необходимы.
2) При исследовании размеров и формысложной детали первичная информация представляет собой координаты точек поверхностиэтой детали. Сбор этой информации может быть реализован различными способами. Деталималых или средних размеров устанавливаются на базирующее приспособление, на которомустановлены датчики, перемещаемые относительно исследуемой детали. В этом случаебазирующее устройство должно содержать управляемый привод линейных или угловых перемещений,работающий под управлением ЭВМ. Нетрудно видеть, что для деталей одинаковой формы,но существенно отличающихся размерами, измерительные задачи могут формулироватьсяодинаково, и для решения этих задач могут использоваться почти одинаковые ИИС. Однакобазирующие устройства будут различными. При измерении деталей средних и, особенно,больших размеров использование специального базирующего устройства в составе СИможет оказаться нецелесообразным или практически невозможным. В этом случае в процессеизмерения деталь может оставаться на обрабатывающем станке, на котором вместо обрабатывающегоинструмента устанавливаются датчики. Для управления перемещениями датчиков относительнодетали в этом случае используется привод станка. Могут использоваться также накладныебазирующие устройства (скобы, обкатные ролики и др.), содержащие ПИП, устанавливаемыена деталь и перемещаемые по ее поверхности.
3) Резистивные датчики, принцип действиякоторых основан на том, что удельное сопротивление материала датчика зависит отвнешних воздействий: температуры, освещенности, влажности и др. При исследованиисвойств этих (да и любых других) материалов необходимо изменять влияющие факторы:температуру, напряженность электрических и магнитных полей, уровень радиоактивногоизлучения и др. В этом случае базирующее устройство должно содержать устройства,обеспечивающие требуемые значения этих воздействий.
4) Преобразование сигнала воздействия исследуемым объектом описываетсянекоторым оператором. Для измерения характеристик этого оператора, например частотнойхарактеристики для линейного оператора, или функции преобразования для нелинейногобезинерционного оператора на вход ИО необходимо подавать тестовые воздействия (тестовыесигналы). Форму этих воздействий может задавать ЭВМ.
Однако на базирующем устройстве должныбыть размещены устройства, преобразующие коды ЭВМ в сигнал нужной физической природыв зависимости от вида ИО. При исследовании электронных устройств это электрическийсигнал, формируемый ЦАП; для акустических систем — звук; длямеханических систем воздействием может быть сила или перемещение, изменяющиеся позаданному закону.
Из приведенных примеров видно, чтоконкретизация функций базирующего устройства вытекает из существа измерительнойзадачи, используемых математических и физических моделей ИО, алгоритмов сбора первичнойинформации. Поэтому разработка базирующих устройств ведется в неразрывной связис разработкой всей ИИС.
ИК ИИС различного назначения могутиметь однотипные и даже одинаковые элементы, но базирующие устройства у них отличаютсяпринципиально, причем каждое из них требует специальной конструкторской проработки.При этом устройства, формирующие воздействия на исследуемый объект (нагреватели,приводы, источники полей и др.), могут быть унифицированными серийными изделиями.Однако удельный вес оригинальных узлов и изделий все равно может оказаться достаточнобольшим. Существенно и то, что объем выпуска базирующих устройств равен объему выпускасоответствующей ИИС, то есть в лучшем случае это мелкая серия, что неизбежно повышаетсебестоимость. В итоге стоимость разработки и изготовления базирующего устройстваможет доходить до половины стоимости всей ИИС.
Заключение
В контрольной работе мы рассмотрели структуру и технические средстваИИС, принципы выбора ЭВМ и базирующих устройств.
В работе основное внимание уделяется вопросам, общим для ИИСразличного назначения: структуре ИИС и системы связи, элементной базе ИК, алгоритмамобработки для типовых групп задач, метрологическому обеспечению и анализу достоверностирезультатов.
Литература
1. Автоматизация физических исследований и эксперимента: компьютерныеизмерения и виртуальные приборы на основе Lab VIEW / под ред.П.А. Бутыркина. — М.: ДМК-Пресс, 2005. — 264 с.
2. Анисимов Б.В., Голубкин В.Н. Аналоговые и гибридные вычислительныемашины. — М.: Высшая школа, 1990., — 289 с.
3. Атамалян Э.Г. Приборы и методы измерения электрических величин.- М.: Дрофа, 2005. — 415 с.
4. Ацюковский В.А. Основы организации системы цифровых связей в сложныхинформационно-измерительных комплексах. — М.: Энергоатомиздат, 2001. — 97 с.
5. Барский А.Б. Нейронные сети. Распознавание, управление, принятиерешений. — М.: Финансы и статистика, 2004. — 176 с.
6. Батоврин В., Бессонов А., Мошкин В. Lab VIEW: Практикум по электронике и микропроцессорнойтехнике. — М.: ДМК-Пресс, 2005 — 182 с.
7. Вентцелъ Е. С, Овчаров Л.А. Теория вероятностей и ее инженерные приложения.- М.: Высшая школа, 2007. — 491 с.
8. Волкова В.Н., Денисов А.А. Теория систем. — М.: Высшая школа, 2006.- 511 с.
9. ГОСТ Р 8.596-2002. ГСИ. Метрологическое обеспечение измерительныхсистем. Основные положения.
10. ГОСТ 16263-70. ГСИ. Метрология. Термины и определения.
11. ГОСТ 26016-81. Единая система стандартов приборостроения. Интерфейсы,признаки классификации и общие требования.
12. ГОСТ 8.437-81. ГСИ. Системы информационно-измерительные. Метрологическоеобеспечение. Основные положения.
13. Грановский В.А. Системная метрология: метрологические системы иметрология систем. — СПб.: ГНЦ РФ ЦНИИ «Электроприбор», 1999. — 360 с.
14. Гутников В.С. Интегральная электроника в измерительных устройствах.- Л., 1988. — 304 с.
15. Демидович В.П., Марон И.А. Основы вычислительной математики. — М.:Наука, 1970. — 654 с.
16. Деч Р. Нелинейные преобразования случайных процессов. — М.: Советскоерадио, 1965. — 208 с.
17. Джексон Р.Г. Новейшие датчики. — М.: Техносфера, 2007. — 384 с.
18. Измерение электрических и неэлектрических величин / Н.Н. Евтихиев,Я.А. Купершмидт, В.Ф. Папуловский, В.Н. Скугоров; под общ. ред. Н.Н. Евтихиева.- М.: Энергоатомиздат, 1990. — 352 с.
19. Информационно-измерительная техника и технологии / В.И. Калашников,С.В. Нефедов, А.Б. Путилин и др.; под ред. Г.Г. Ранеева. — М.: Высшая школа, 2002.- 454 с.
20. Калабеков В.В. Цифровые устройства и микропроцессорные системы.- М.: Радио и связь, 1997. — 336 с.
21. Карабутов Н.Н. Адаптивная идентификация систем. Информационный синтез.- М.: Едиториал УРСС, 2006. — 384 с.
22. Киреев В.И., Пантелеев А.В. Численные методы в примерах и задачах.- М.: Высшая школа, 2008. — 480 с.
23. Корнеенко В.П. Методы оптимизации. — М.: Высшая школа, 2007. — 664с.
24. Максимей И.В. Имитационное моделирование на ЭВМ. — М.: Радио и связь,1988. — 230 с.
25. Мезон С, Циммерман Г. Электронные цепи, сигналы и системы. — М.:Иностранная литература, 1963. — 594 с.
26. Метрологическое обеспечение измерительных информационных систем(теория, методология, организация) / Е.Т. Удовиченко, А.А. Брагин, А.Л. Семенюки др. — М.: Издательство стандартов, 1991. — 192 с.
27. МИ 2438-97. ГСИ. Системы измерительные. Метрологическое обеспечение.Общие положения.
28. Мячев А.А., Степанов В.Н. Персональные ЭВМ и микроЭВМ. Основы организации.- М.: Радио и связь, 1991. — 320 с.
29. Новоселов О.Н., Фомин А.Ф. Основы теории и расчета информационно-измерительныхсистем. — М.: Машиностроение,
1991. — 336 с.
30. Островский Ю.И. Голография и ее применение. — М.: Наука, 1976.- 256 с.
31. Пантелеев А.В., Летова Т.А. Методы оптимизации в примерах и задачах.- М.: Высшая школа, 2008. — 544 с.
32. Потапов А.С. Распознавание образов и машинное восприятие. — СПб.:Политехника, 2007. — 546 с.
33. Путилин А.Б. Вычислительная техника и программирование в измерительныхсистемах. — М.: Дрофа, 2006. — 416 с.
34. РМГ 29-99. Метрология. Основные термины и определения.
35. Рубичев Н.А., Фрумкин В.Д. Достоверность допускового контроля качества.- М.: Издательство стандартов, 1990. — 172 с.
36. Руководство по выражению неопределенности измерения / под ред.В.А.Слаева. — СПб.: ГП «ВНИИМ им Д.И. Менделеева», 1999. — 126 с.
37. Самарский А.А., Михайлов А.П. Математическое моделирование. — М.:Наука; Физматлит, 1997. — 428 с.
38. Советов Б.Я., Цехановский В.В. Информационные технологии. — М.:Высшая школа, 2008. — 263 с.
39. Уайлд Д. Дж. Методы поиска экстремума. — М.: Наука, 1967. — 268с.
40. Ушаков И.А. Курс теории надежности систем. — М.: Дрофа, 2008. — 240 с.
41. Фомин Я.А. Теория выбросов случайных процессов. — М.: Связь, 1980.- 216 с.
42. Фрайден Дж. Современные датчики: справочник. — М.: Техносфера, 2005.- 592 с.
43. Фрумкин В.Д., Рубичев Н.А. Теория вероятностей и статистика в метрологиии измерительной технике. — М.: Машиностроение, 1987 — 168 с.
44. Хартман К. и др. Планирование эксперимента в исследовании технологическихпроцессов. — М.: Мир, 1977. — 562 с.
45. Цапенко М.П. Измерительные информационные системы. — М.: Энергоатомиздат,1985. — 357 с.
46. Чистяков В.П. Курс теории вероятностей. — М.: Дрофа, 2007. — 256с.