Дистанционные технологии в образовании

остоинством MMS является возможность простого конфигурирования и практически неограниченного наращивания автоматизированной системы любой сложности за счет смены модулей и наращивания количества крейтов. Относительным недостатком MMS является их избыточность при использовании для автоматизации простых объектов. Системы VME,VXI, PXI, SCXI достаточно дорогостоящие и функционально насыщенные. Каждая из этих систем помимо набора функциональных модулей измерения и управления в обязательном порядке содержит дополнительные устройства, удорожающие эти системы:

· каркас (крейт) с общим для всех модулей блоком питания и системой вентиляции;

· общую для всех модулей магистраль;

· контроллер (чаще всего интеллектуальный), обеспечивающий управление функциональными модулями по общей магистрали и связь с управляющим компьютером.

Поэтому применение указанных систем автоматизации оправдано в сложных, многоканальных экспериментах, когда требуется высокая точность контроля параметров при повышенном быстродействии всей системы.

Измерительно-управляющие платы (Plugin-Card).

Идея ввода в состав персонального компьютера дополнительной платы управления внешними по отношению к нему устройствами вполне логична, поскольку подобными платами исходно оснащен любой компьютер (платы управления монитором, внешними накопителями, плата связи с сетью и т.д.). Более того, каждый компьютер имеет несколько свободных мест (слотов) для установки подобных плат по желанию пользователя.

Структурно и конструктивно каждая Plugin-Card содержит:

· функциональную часть в виде универсального набора устройств ввода/вывода цифровой, аналоговой и дискретной информации (входной аналоговый коммутатор, АЦП, ЦАП, программируемый счетчик/таймер, порты цифрового ввода/вывода и т.д.);

· интерфейсную часть, обеспечивающую информационное и энергетическое согласование устройств функциональной части с магистралью компьютера;

· печатный разъем, соответствующий типу слота компьютера.

Данное направление развития базовых средств автоматизации постоянно совершенствуется. Появились Plugin-Card для различных классов компьютеров (IBM PC, PS2, Macintosh), платы с собственными микропроцессорными средствами обработки, быстрыми буферными накопителями типа FIFO (First Input-First Output) и т. д., благодаря чему значительно расширились их функциональные возможности. Спектр возможностей современных Plugin-Card значительно возрос и практически приблизился к возможностям функциональных модулей таких систем, как VME,VXI, PXI, SCXI:

· входной аналоговый коммутатор- 8...64 канала;

· АЦП - 8... 16 разрядов при быстродействии до 5 Ms/c (для 12-разрядов);

· ЦАП - 8... 16 разрядов при быстродействии до 1 Ms/c (для 12-разрядов);

· программируемый счетчик/таймер - 1... 8 каналов, с разрядностью 16...24;

· порты цифрового ввода/вывода -- 8... 128 разрядов.

Основное преимущество измерительно-управляющих подсистем на основе Plugin-Card состоит в том, что между обрабатывающим компьютером и функциональными устройствами ввода/вывода информации отсутствуют промежуточные устройства, поскольку Plugin-Card вставляют в свободные слоты компьютера. При этом основные измерительно-управляющие устройства Plugin-Card оказываются расположенными непосредственно на шинах обрабатывающего процессора, им присваиваются соответствующие адреса одного из внешних устройств процессора, могут быть назначены необходимые приоритеты, что минимизирует все временные задержки при измерении и управлении. Максимальная скорость обмена информацией доходит до 132 Мбайт/с. Кроме того, отпадает необходимость в специальном корпусе, блоке питания, системе охлаждения, поскольку все это уже есть в базовом компьютере, что значительно упрощает и удешевляет измерительно-управляющую подсистему в целом.

Однако имеется недостаток, который следует учитывать при использовании Plugin-Card для аналогового управления быстродействующими объектами. Цифро-аналоговые преобразователи (в отличие от АЦП) на универсальных платах, как правило, не имеют выходного буфера, за исключением специализированных карт аналогового вывода и генераторов сигналов сложной формы, которые отличаются высокой стоимостью. Поэтому для реализации сложного алгоритма управления объектом каждое новое значение выходного аналогового сигнала по каждому каналу необходимо рассчитывать в реальном времени, в связи с чем, скорость управления объектами ограничивается или становится в прямую зависимость от производительности применяемого компьютера, вынужденного помимо задач управления Выполнять параллельно и другие служебные функции. Так, проведенное тестирование показало, что для базового компьютера на основе процессора Intel Pentium 150 МГц максимальная частота генерирования выходного аналогового сигнала не превышает 40 КГц, а для процессора Intel 486 Dx66 - не более 13 КГц.

Эта связь становится еще более явной, если необходимо корректировать алгоритм управления в зависимости от реакции объекта на управляющие воздействия. Для быстродействующих объектов при сложных алгоритмах управления такую систему практически невозможно реализовать именно потому, что современные компьютеры не успевают произвести требуемые вычисления. Например, для реализации векторного управления асинхронным двигателем на частоте питания 50 Гц с просчетом положения вектора поля через 10 электрических градусов требуется компьютер с производительностью более 50 миллионов операций в секунду, что превышает производительность самых мощных на сегодняшний день общедоступных компьютеров.

Выходом из подобной ситуации может служить использование параллельно с универсальными измерительными платами специализированных плат аналогового вывода. Такие платы имеют выходной буфер и предназначены для генерации сигналов с частотой обновления до 300 КГц.

Таким образом, можно определить основной перечень условий, при которых исследовательское оборудование целесообразно строить па основе измерительно-управляющих плат типа Plugin-Card:

· Небольшое удаление объекта исследования от измерительною компьютера (1-2м). При большем удалении объекта исследования использование измерительных карт возможно, однако требует применения дополнительных устройств - нормализаторов сигналов, фильтров и т. п. для устранения случайных помех и компенсации потерь в измерительных каналах. Однако при работе на больших частотах полностью избавиться от помех практически невозможно.

· Реализуемость задач управления, которая определяется быстродействием системы, в которую входит компьютер и измерительно-управляющая плата. Оценка реализуемости должна проводиться в каждом конкретном случае. Если система не способна обеспечить требуемого быстродействия, необходимо или переходить на более быстродействующие средства, или распределять вычислительные и измерительные задачи между несколькими устройствами, т. е. использовать комбинированные системы.

· Персональный компьютер имеет ограниченное количество слотов для подключения интерфейсных плат. Если требуемое количество интерфейсных плат превышает количество слотов персонального компьютера, необходимо использовать блоки расширения слотов или переходить на магистрально-модульные системы.

Программируемые логические контроллеры

Программируемые логические контроллеры (PLC) представляют собою компактные измерительно-управляющие системы с заранее программируемой логикой, выполненные на основе специальных интегральных микросхем повышенной степени интеграции (базовых микроконтроллеров). PLC содержат в одном кристалле как средства обработки информации (микропроцессор с необходимым набором периферийных устройств - ОЗУ, ПЗУ, порты ввода/вывода и пр.), так и средства измерения и управления (АЦП, ЦАП, ШИМ, программируемые счетчики/таймеры, порты ввода/вывода и пр.)

Структура измерительно-управляющей подсистемы на базе PLC отличается простотой конфигурации и компактностью. Обычно используют полностью законченные промышленные конфигурации, содержащие базовый вычислительный модуль и набор типовых модулей ввода/вывода или так называемые отладочные платы (kit). Эти платы содержат базовый комплект микроконтроллера с необходимыми внешними устройствами (ОЗУ, ПЗУ, порты ввода/вывода и т.д.), а также свободную часть монтажной платы для реализации нестандартного дополнения по проекту разработчика.

В настоящее время существует множество типов базовых микроконтроллеров различных фирм (Intel, Motorola, Texas Instruments, Maxim, Philips и т.д.), отличающихся как внутренней архитектурой, так и функциональным назначением.

Наиболее распространены микроконтроллеры на основе микропроцессора i80C51 фирмы Intel. В этом семействе особый интерес для создания PLC (для сравнительно простых объектов при хорошем соотношении: цена/функциональные возможности) представляют микроконтроллеры РСВ80С552 фирмы Philips. Они имеют следующие базовые показатели:

· внешняя память программ и данных до 64 кБ каждая;

· встроенный 8-канальный 10-разрядный АЦП со временем собственного преобразования до 10 мкс;

· два канала широтно-импульсной модуляции (ШИМ) с тактовой частотой 15 КГц для реализации частотного управления;

· 8-разрядный цифровой порт ввода/вывода;

· три встроенных 16-разрядных таймера/счетчика;

· сторожевой таймер, предназначенный для автоматического перезапуска системы в случае ее зависания, например из-за кратковременного сбоя напряжения питания;

· последовательный порт, подключаемый по стандарту RS232/RS485 для реализации внешних связей с другими микроконтроллерами или с базовым компьютером;

· последовательный порт шины I2С, позволяющий подключать к микроконтроллеру дополнительные устройства (модули флэш-памяти, часы реального времени и т. п.) и соединять несколько микроконтроллеров в единую сеть для совместной работы.

Кроме того, функциональные возможности микроконтроллера легко развиваются дополнительными устройствами, подключаемыми к нему по цифровой шине адрес/данные. В качестве таких устройств могут быть использованы высокоточные АЦП, ЦАП, счетчики, дополнительные преобразователи сигналов и т.п.

При большом количестве разнообразных задач, возлагаемых на измерительно-управляющую подсистему целесообразно распределять эти задачи между несколькими микроконтроллерами в зависимости от их производительности. В этом случае микроконтроллеры для совместной работы объединяются в сеть на основе стандарта RS-485 (при удалении на десятки и сотни метров) или на основе высокоскоростной шины ГС (при удалении микроконтроллеров не далее 1 м) При такой архитектуре обмен данными по сети осуществляется по принципу ведущий/ведомый, т. е. один из микроконтроллеров или главный компьютер берет на себя функции ведущего и осуществляет общее управление потоками данных по сети.

В зависимости от сложности решаемых задач следует выбирать микроконтроллеры разной архитектуры, начиная от простейших 8-разрядных до мощных 16-ти и 32-разрядных.

В случаях, когда микроконтроллер должен не только производить измерения параметров, но и управлять объектом в зависимости, например, от частотного состава замеренного параметра, т.е. производить некий сложный математический анализ экспериментальных данных в реальном масштабе времени с минимальными временными задержками, требуется применять цифровые сигнальные процессоры (DSP), предназначенные для решения подобных задач.

Использование PLC в качестве устройства сопряжения с объектом в сложных измерительно-управляющих подсистемах позволяет значительно разгрузить главный компьютер от таких рутинных операций как сбор и накопление данных, их предварительная обработка, управление объектом исследования и вспомогательными устройствами.

Микроконтроллерные системы, как правило, используются в тех случаях, когда не требуется высокая скорость сбора небольшого объема данных и несложных алгоритмах предварительной обработки данных.

Комбинированные многоуровневые иерархические системы

Практика работы с автоматизированными измерительно-управляющими системами показывает, что добиться оптимального соотношения стоимости и функциональных возможностей при использовании только одной конкретной системы практически невозможно.

При работе с реальными физическими объектами средней и высокой сложности (например, объединение нескольких разнородных устройств в действующую систему) спектр задач измерения и управления слишком разнообразен. Наряду с задачами высокоточного и быстрого контроля ряда параметров возникают задачи простого включения/отключения какого-либо элемента или технологического оборудования с программно-изменяемой частотой. Тратить на это вычислительные ресурсы главного управляющего компьютера было бы нерационально. Отсюда возникает стратегия использования комбинированных средств и разумного разделения между ними имеющихся вычислительных ресурсов.

Например, при создании лабораторного оборудования, не требующего в процессе работы громоздких промежуточных вычислений, но предполагающего наличие независимых каналов управления и точных измерений, вместо систем на базе VXI или PXI может быть использована комбинированная система, построенная на сочетании одного или нескольких PLC и одной или несколькими Plugin-Card.

В такой комбинированной системе Plugin-Card могут выполнять функции измерения параметров, критичных к времени и синхронизации, например, когда требуется получить осциллограмму сигнала сложной формы с высоким разрешением. При этом PLC, используя свои вычислительные ресурсы, выполняет задачи управления различными устройствами, а также может измерять медленноменяющиеся параметры, например, температуру, перемещения и т. д.

Подобные комбинированные системы сочетают в себе требуемую функциональность при значительно более низкой стоимости по сравнению с системами на основе VXI или PXI.

В целом же, как показывает опыт разработки автоматизированных курсов, для объектов повышенной сложности наиболее эффективны комбинированные системы с трехуровневым иерархическим распределением вычислительных ресурсов.

На объектном уровне, как правило, целесообразно использовать мультипроцессорные подсистемы, вычислительные ресурсы которых (разрядность, быстродействие, объем памяти) необходимо выбирать в зависимости от сложности решаемых задач. Здесь следует настойчиво рекомендовать не экономить в малом, не перегружать микроконтроллер несколькими задачами (даже, если его ресурсы не исчерпаны), а каждую задачу поручать отдельному микроконтроллеру, разработав для него оптимальную программу управления. При таком подходе каждый значимый узел объекта (датчик или группа датчиков, регулятор, преобразователь, нагрузка и т. д.), снабженный отдельным микроконтроллером, становится "информационно прозрачным" и "абсолютно управляемым", что очень важно в системах удаленного доступа. Обмен информацией между такими интеллектуальными устройствами, а также каждого из них с управляющим компьютером осуществляется по сетевым каналам.

На промежуточном уровне должны размещаться сервисные вычислительные средства, обеспечивающие обслуживание, с одной стороны, вычислительных средств объекта (передача данных, пересылка команд на изменение режимов работы оборудования), а, с другой стороны, - запросов удаленных пользователей. Эти достаточно сложные функции возлагаются на сервер комплекса, вычислительные ресурсы которого выбираются в зависимости от решаемых задач. Для реализации связи сервера комплекса с удаленными пользователями в его составе должна быть одна из типовых плат сетевого обмена, а для связи с вычислительными средствами объекта, например, адаптер последовательного интерфейса (обычно это преобразователь RS-485/RS-232).

На пользовательском уровне по возможности должны находиться современные компьютеры класса не ниже Pentium-100 с объемом ОЗУ не менее 16 Мб, с графическим разрешением мониторов не менее 800x600, 256 цветов. Такие относительно высокие требования объясняются тем, что при разработке программно-методического обеспечения автоматизированных курсов используются современные достижения компьютерных технологий: цвет, звук, трехмерная графика, анимация, без чего эффективность процесса обучения была бы не столь высока.

6.5 Средства разработки программно-методического обеспечения

Ведущие фирмы в области информационно-измерительных и управляющих технологий (Hewlett Packard, National Instruments и др.) производят комплектные системы, включающие как аппаратные средства сопряжения с объектом, так и все необходимое программное обеспечение их поддержки. Сюда входят драйверы управления аппаратными средствами, программы для создания пользовательских интерфейсов, программное обеспечение математической обработки результатов исследования и пр.

Однако спектр задач, возникающих при создании автоматизированных учебных курсов, значительно шире только измерения параметров и управления объектами. Так, методическое обеспечение комплекса должно содержать полную совокупность средств, необходимых и достаточных для его использования в решении задач исследования и обучения:

· информационно-справочные данные для изучения теоретических основ исследуемых физических процессов, базирующиеся на применении различных форм представления учебной информации, включая приемы гипертекстового и полиэкранного структурирования, анимационного изображения изучаемых объектов и процессов для активизации формирования знаний и навыков обучающихся;

· программы имитационного компьютерного моделирования динамических процессов в сложных технических системах и их компонентах;

· средства подготовки и проведения натурных исследований сложных технических систем и их компонентов в режиме удаленного доступа;

· средства обработки и анализа экспериментальных данных для практической проверки адекватности применяемых математических моделей;

Необходимой составляющей частью этой подсистемы является подборка из нескольких десятков контрольных вопросов и задач по каждому тематическому разделу изучаемого курса.

Банк заданий на проведение учебных исследований должен быть Разработан таким образом, чтобы индивидуализировать выдаваемые задания и всесторонне охватить выполняемыми исследованиями основные проблемы, характеризующие конкретное тематическое направление. Оперативность получения необходимых экспериментальных данных позволяет формировать учебные задания поискового характера.

В соответствии с изложенными положениями средства программного обеспечения должны включать в свой состав ряд компонентов, выполняющих различные функции:

· ПО объектного уровня должно содержать набор программ-драйверов управления стандартными и специально разработанными средствами обмена информацией между компонентами автоматизированного стенда.

· ПО компьютера-сервера предназначено для реализации дистанционного обмена информацией между аппаратными средствами автоматизированных лабораторных стендов и рабочими местами пользователей и должно выбираться таким образом, чтобы обеспечить работу технических средств телекоммуникации и, в частности, поддерживать протокол сетевого обмена ТСРЛР.

· ПО рабочих мест пользователей выполняет несколько функций, для реализации которых целесообразно применять соответствующие инструментальные программные средства.

Основная часть ПО рабочего места пользователя может быть создана, например, с применением инструментальной системы прикладных программ LabWindows/CVI фирмы National Instruments (США). Данная система содержит встроенные средства связи с объектами исследования в реальном масштабе времени, а также средства разработки удобных пользовательских интерфейсов. Эти возможности обеспечиваются применением развитой библиотеки примитивов и достаточно полной, легко подключаемой библиотеки математической обработки результатов экспериментальных исследований, включающей программные модули полиномиальной и сплайн интерполяции, цифровой фильтрации, спектрального и корреляционного анализа и т.д.

Страницы: 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12, 13, 14

В соцсетях