В соответствии с основными функциями информационной техники выделяются следующие ее ветви: информационно-измерительная техника, вычислительная техника, техника передачи информации (связи), техника хранения и поиска информации. Каждая из этих основных ветвей информационной техники имеет свои особенности, принципы построения технических устройств. В то же время они объединяются общими теоретическими основами.

Остановимся несколько подробнее на информационно-измерительной технике (ИИТ). Она предназначена для получения опытным путем количественно определенной информации о разнообразных объектах материального мира.

Основными процессами, позволягющими получить такую информацию, являются обнаружение событий, процессы счета, измерения, контроля, распознавания образов, диагностики. Существует широкое толкование этих терминов. Например, процесс измерения связывается с введением в исследуемое явление единицы измерения. Такое представление об измерении используется в математике, социологии, психологии и др. В ИИТ применяется узкое толкование этих терминов, вытекающее из того, что процессы измерения реализуются экспериментально, служат для получения количественной оценки состояния материального объекта через сравнение параметров объекта с мерой (овеществленной единицей

измерения), описанием (через количественные характеристики) заданного состояния.

Полезно предварительно уточнить принятое в дальнейшем изложении представление об этих процессах.

Согласно ГОСТ 16263-70 измерение - это нахождение значения физической величины опытным путем с помощью специальных технических средств. в процессе измерения получается численное отношение между измеряемой величиной и некоторым ее значением, принятым за единицу сравнения.

Под контролем понимается установление соответствия между состоянием (свойством) объекта контроля и заданной нормой, определяющей качественно различные области его состояния. В результате контроля выдается суждение о состоянии объекта контроля.

Распознавание образов связано с установлением соответст--вия между объектом и заданным образом. Так же как и норма при контроле, при опознании образ может быть задан в виде образцового изделия или в виде перечня определенных свойств и значений параметров (признаков) с указанием полей допуска. Нужно заметить, что в целом ряде практических приложений понятия контроля и распознавания образов совпадают.

Во многих случаях для восстановления нормальной работы объекта необходимо выявить элементы, послужившие причиной его неправильного функционирования. Такое направление развития ме-тодов и средств контроля работы технических устройств называется технической диагностикой.

Счет, т. е. определение количества каких-либо событий или предметов, в ИИТ относительно редко имеет самостоятельное значение и чаще входит составляющей операцией в процессы измерения, контроля и т. д.

Во всех перечисленных процессах, используемых в ИИТ, имеются общие черты. Все эти процессы обязательно включают восприятие техническими средствами исследуемых (измеряемых, контролируемых) величин, весьма часто с преобразованием в некоторые промежуточные величины, сравнение их опытным путем с известными величинами, с описаниями состояний или свойств объектов, формирование и выдачу результатов в виде именованных чисел, их отношений, суждений, основанных на количественных соотношениях.

В ИИТ наиболее важную роль играет процесс измерения, являющийся основным путем получения количественной информации. Средства измерений известны со времен глубокой древности (Китай, Вавилон, Индия, Египет, Греция, Рим).

Человечество пришло к необходимости выработать особые приемы количественного выражения существенных для него свойств объектов с помощью именованных чисел, соответствующих определенным долям выбранных мер.

К. Маркс считал, что отыскание общественных мер для оценки количественной стороны полезных вещей являлось делом раз-

вития .общества. Так возник в развитии человеческой культуры процесс измерения, возникли средства и методы измерений, которые в дальнейшем стали одним из важнейших орудий познания человеком окружающего его мира. Развитие науки и промышленности стимулировало развитие измерительной техники; новые достижения измерительной техники оказывали влияние на развитие многих отраслей науки и техники. Именно измерение связывает науку с математикой, с одной стороны, с торговлей и технической практикой-с другой .

По существу ни одно экспериментальное научное исследование, ни один процесс производства не может обойтись без измерений в той или иной форме, без получения того, чго мы называем измерительной информацией. В настоящее время ни у кого не вызывает сомнения, что без должного развития методов и средств измерения невозможен прогресс науки и техники. Развитие современного научного эксперимента, включающего исследование космического пространства и элементарных частиц материи, глубин океанов и поверхности Земли, совершенствование промышленного производства и средств комплексного управления производством, развитие практически всех отраслей народного хозяйства и оборонной техники в значительной степени зависят от своевременного и качественного сбора измерительной информации, от должного уровня и опережающего развития средств измерения.

Необходимо отметить роль метрологии в деле становления методов и средств измерения. Метрология в начале своего развития занималась главным образом сбором справочных данных о мерах и единицах измерений. Современная метрология превратилась в науку о точности измерений, о методах и средствах обеспечения их единства.

Наряду с метрологией возникли теоретические основы измерительной техники в целом и по основным видам измерений (например, электрические, оптические, механические измерения). В теоретическом плане при создании новых средств измерительной техники используются (обычно с необходимой доработкой в прикладном плане) современные достижения математики, теории автоматического управления и телемеханики, вычислительной техники, теории связи, планирования эксперимента и др.

Здесь уместно заметить, что названные области науки в свою очередь используют достижения теории измерений, метрологии, измерительной техники. Встречаются обстоятельства, когда специалисты смежных областей информационной техники занимаются решением задач, относящихся к измерительной технике. Так, например, специалисты по вычислительной технике весьма часто занимаются созданием аналого-цифровых преобразователей, измерительных коммутаторов. Но, видимо, наметившаяся тенденция

Маркс К. Капитал. Т. 1.-М.: Госполитиздат, 1963, с. 44.

2 Бернал Д. Наука в истории общества. - М.: Иностр. лит., 1956. -735 с.

к созданию общетеоретических основ информационной техники приведет к определенному ограничению круга задач, подлежащих решению в каждом из разделов информационной техники, благодаря получению общих решений. Однако потребности в новых видах информационной техники растут очень быстро, ставя все новые задачи. Научный совет по проблемам электрических измерений и измерительных информационных систем АН СССР произвел анализ потребностей народного хозяйства Советского Союза в средствах измерений. Оказалось, что в ближайшее время необходимо по крайней мере в 4 раза увеличить количество видов измеряемых величин.

Но не только увеличение количества видов измеряемых величин ведет к необходимости совершенствования средств измерений.

До недавнего прошлого арсенал средств измерительной техники ограничивался неавтоматическими и автоматическими измерительными приборами, предназначенными для измерения одной величины или небольшой группы однородных величин, обычно не изменяющихся за цикл измерения. Нужно отметить, что и в настоящее время производство таких измерительных приборов составляет заметную долю продукции приборостроительной промышленности.

В последние годы, в первую очередь в связи с резкой интенсификацией и автоматизацией процессов производства, усложнением и расширением фронта научных экспериментов, существенно изменились требования к средствам измерения.

Новые требования связаны главным образом с переходом к получению и использованию результатов не отдельных измерений, а потоков измерительной информации. Зачастую необходимо получать информацию о сотнях и тысячах однородных или разнородных измеряемых величин, часть из которых может быть недоступной для прямых измерений.

Как правило, получение всего объема измерительной информации должно выполняться за ограниченное время. Если эти функции возложить на человека, вооруженного лишь простейшими измерительными и вычислительными устройствами, то в силу физиологических ограничений он, даже при весьма значительной тренировке, не сможет их выполнять. Решение этой проблемы путем увеличения обслуживающего персонала не всегда возможно, а там, где это возможно, в большинстве случаев экономически невыгодно. Уместно заметить, что из-за опасных условий эксперимента или вредности технологического процесса участие человека-оператора может быть вообще недопустимым.

Таким образом, перед измерительной техникой была поставлена проблема создания новых средств, способных разгрузить человека от необходимости сбора и обработки интенсивных потоков измерительной информации. Решение этой проблемы привело к появлению нового класса средств измерения-и змеритель-ных систем (ИС), предназначенных для автоматического сбора и обработки измерительной информации.

Аналогично можно проследить развитие других средств ИИТ,

приведшее к необходимости создания кроме ИС также систем автоматического контроля (САК), технической диагностики (СТД), распознавания (РС).

Совокупность перечисленных выше систем получила название информационно-измерительных или измерительных информационных систем -ИИС [1.1]. Под ИИС понимаются системы, предназначенные для автоматического получения количественной информации непосредственно от изучаемого объекта путем процедур измерения и контроля, обработки этой информации и выдачи ее в виде совокупности именованных чисел, высказываний, графиков и т. д., отражающих состояние данного объекта. Измерительные информационные системы должны восприни.мать изучаемые величины непосредственно от объекта, а на их выходе должна получаться количественная информация (и только информация) об исследуемом объекте; ИИС существенно отличаются от других информационных систем и систем автоматического управления. Так, системы вычислительные, связи и управления могут получать на входе информацию от других систем (в частности, от ИИС). Разумеется, инфор.мация, получаемая на выходе ИИС, используется для принятия каких-либо решений, однако использование информации обычно не входит в функции ИИС.

Далее принимается, что в ИИС объединяются технические средства, начиная от датчиков и кончая устройствами выдачи информации, а также все программы, как необходимые для управления работой собственно системы, так и позволяющие решать в ИИС измерительные и вычислительные задачи, а также управлять конкретным экспериментом.

В ГОСТ 8.437-81 приведено следующее определение: ИИС - совокупность функционально объединенных измерительных, вычислительных и других вспомогательных технических средств для получения измерительной информации, ее преобразования, обработки в целях представления потребителю (в том числе ввода в АСУ) в требуемом виде либо автоматического осуществления логических функций контроля, диагностики, идентификации .

Итак, ИИС - обобщающее понятие. Под ним подразумевается класс средств ИИТ, объединяющий системы измерения, контроля, технической диагностики и распознавания.

Следует отметить, что понятие ИИС удовлетворяет содержанию более общего понятия система . В теории систем под системами понимаются множества взаимосвязанных элементов, представляющих целостные образования. Системы при этом характеризуются структурами (совокупностью элементов и связей между ними, порядком элементов), функционированием (порядком процессов, совокупностью реакций системы на условия внешней и внутренней среды) и историей (необратимые изменения вследствие развития, старения, процессы обучения, адаптации, предварительно выполненные процедуры обработки информации и т. п.). Подразумевается, что исследование структур, функционирования и истории систем не может быть произведено только с помощью

аппарата физики (что возможно при рассмотрении измерительных преобразователей и приборов).

В соответствии со сказанным в книге рассматриваются в первую очередь структуры и алгоритмы функционирования ИИС и их частей - комплексов, аналого-цифровых подсистем и т. п., а в необходимых случаях учитывается история систем.

Уместно дать краткую историческую справку развития ИИС и указать основные области их применения.

Основная концепция нового класса средств ИИТ - измеритель--ных информационных систем - была сформулирована в начале 60-х годов. В основу концепции ИИС уже в то время была положена системная организация совместной автоматической работы средств получения, обработки и передачи количественной информации. Тогда были созданы ИИС, которые можно отнести к первому поколению таких систем. Системы первого поколения харак теризуются централизованным циклическим получением измерительной информации и обработкой ее в основном с помощью входящих в состав ИИС специализированных вычислительных устройств, использованием в качестве элементной базы дискретной полупроводниковой техники. Дальнейшая обработка информации при необходимости в большинстве случаев производилась вне ИИС, в универсальных ЭВМ, занятых обслуживанием и других источников информации. Однако сложные ИИС в то время имели в своем составе ЭВМ, выполняющие только задачи, стоящие перед этими системами.

Измерительные информационные системы второго поколения (70-е годы) характеризуются адресным сбором измерительной информации, обработкой информации с помощью ЭВМ, входящих в состав систем, и в меньшей степени с помощью специализированных вычислительных устройств, использованием в качестве элементной базы микроэлектронных схем малой и средней степени интеграции.

Широкое введение ЭВМ в состав ИИС стало возможным после организации промышленного выпуска управляющих вычислительных машин и комплексов, а также малых ЭВМ с достаточными вычислительными и логическими возможностя.ми, гибким программным управлением, приемлемыми габаритами, потребляемой энергией и стоимостью.

Улучшение многих характеристик ИИС было достигнуто благодаря использованию больших интегральных микросхем, микропроцессоров, микропроцессорных наборов (включая устройства п^м^ти с большим объемом запоминаемой информации) и микро-

Качественно новые возможности при проектировании, изготовлении и эксплуатации ИИС были получены при применении стандартных цифровых интерфейсов и промышленных функциональных блоков, совместимых между собой по информационным, метроло-гическим, энергетическим и конструктивным характеристикам. Применение в ИИС ЭВМ и стандартных цифровых интерфейсов

привело к необходимости формального описания алгоритмов действия систем и к резкому возрастанию роли программного обеспечения систем.

Оказалось, что для цифровых централизованных ИИС с программным управлением можно организовать промышленный выпуск универсального цифрового ядра, в которое входят цифровые измерительные и вычислительные средства и стандартные устройства ввода и вывода цифровой информации.

Количество созданных и реально действующих в нашей стране ИИС резко возрастает и трудно поддается оценке. Видимо их число может быть оценено в несколько десятков тысяч.

Измерительные информационные системы находят применение везде, где необходимо автоматическое получение опытным путем количественной информации о состоянии объектов исследования, причем это получение связано с выполнением массовых операций и (или) осуществлением измерений в сложной форме, недоступной локальным измерительным приборам. Не имея возможности рассмотреть весь огромный диапазон областей применения ИИС, остановимся хотя бы на перечислении некоторых из них.

В измерительном оборудовании систем управления, жизнеобеспечения и научно-исследовательских работ космических кораблей, в наземных измерительно-управляющих комплексах все большую роль играют ИИС. Радиотелеметрические системы космических исследований являются важной разновидностью ИИС. Описание и анализ таких систем даны в [1.2].

В области экспериментальной аэродинамики с помощью ИИС производится измерение аэродинамических сил, распределения давлений, температур, расходов газов и многих иных величин.

Экспериментальная прочность нуждается в измерении внешних сил, воздействующих на исследуемые объекты, и реакции на их действие (напряжения в материале, смещения и т. д.), xapaiCTe-ристик самих объектов и т. п. В обширных областях тензометрии, динамометрии, термометрии и т. п. в качестве основных Э1сспери-ментальных средств применяются ИИС.

Геофизические экспериментальные исследования оснащены многочисленными ИИС, в которых реализуются эффективные методы исследования строения земной коры.

В океанографических исследованиях с помощью ИИС происходит измерение температур, химического состава, скоростей движения, давлений в водной среде и т. п.

Химические, физические, биологические экспериментальные исследования основаны на огромном количестве разнообразных методов и их реализаций с помощью ИИС. Это определение состава и характеристик объектов исследования и внешних воздействий, условий эксперимента и т. п. [1.3].

Для применения в метеорологии, для охраны окружающей среды созданы многочисленные ИИС, позволяющие получать и обрабатывать измерительную информацию о состоянии воздушной и водной сред, о солнечной радиации и т. п. [1.4].

Особо, пожалуй, следует отметить ИИС, построенные для нужд метрологических исследований и метрологического обеспечения единства измерений в стране, так как такие ИИС должны обладать высокими метрологическими характеристиками (см. гл. 22).

Огромное поле для приложения ИИС представляют комплексные испытания машин, конструкций, приборов, оборудования. Испытания таких конструкций, как суда, летательные аппараты, двигатели (внутреннего сгорания, реактивные и др.), требуют создания сложных технических средств в целях получения необходимой, главным образом измерительной, информации. .

Медицина оснащается современными ИИС, позволяющими получать и оценивать ряд физиологических и психофизических параметров человека. Можно предполагать, что количество ИИС, применяемых в медицине, будет резко возрастать [1.5].

Уже говорилось, что в промышленности, на транспорте, в сельском хозяйстве, вообще во всем народном хозяйстве страны довольно широко используются ИИС [1.6, 1.7]. В связи с применением микропроцессорных средств существенно расширяются возможности ИИС. Они становятся незаменимой составной частью роботов и др. Автоматизированный контроль и испытания продукции производятся в основном с помощью ИИС.

Перед тем как закончить краткий очерк основных областей применения ИИС, нужно отметить, что реализация ИИС, особенно встроенных в конкретную аппаратуру, установку и т. п., может быть не выделена конструктивно и не отражена в названии. Так, испытательный стенд, станция, аппаратура, отдельная часть АСУ каким-либо технологическим процессом и т. п. нередко содержат в своем составе какую-либо разновидность ИИС. Другими словами, на практике часто встречаются используемые, но не выделенные особо в явном виде ИИС.

В настоящее время создается и начинает использоваться третье поколение ИИС, в котором, как можно предполагать, более широкое применение получат системные измерительные преобразователи (голографические, телевизионные, рентгенографические и т. п.), позволяющие подобно рецепторным полям биологических анализаторов воспринимать поля исследуемых величин. Рассредоточение вычислительной мощности по различным уровням и блокам ИИС может уменьшить потоки информации, сократить общее время обработки, повысить надежность работы системы. В ИИС будет более широко осуществляться многофункциональная обработка измерительной информации благодаря рациональному сочетанию средств с жесткой структурой (аппаратная реализация) и гибкими перестраиваемыми структурами и программами работы. Будут созданы измерительные, контрольные и другие роботы. В быстродействующих ИИС, работающих в реальном времени, будут объединены процедуры измерения и обработки информации. Существенно расширится применение устройств памяти. Будут широко ирпользоваться выпускаемые промышленностью наборы функциональных устройств, объединяемых стандартными интер-

фейсами. Большое значение приобретут диалоговые режимы работы оператора с ИИС. В элементной базе резко увеличится доля интегральных микросхем большой и сверхбольшой степени интеграции.

Следует отметить, что появление нового поколения ИИС не перечеркивает существование предыдущего, а берет из него наиболее важное и рациональное.

1.2. ОБОБЩЕННАЯ СТРУКТУРНАЯ СХЕМА ИИС

Для описания ИИС, объяснения состава функциональных частей и элементов, их назначения и взаимосвязи в системе широко применяются струЕ'Стурные схемы. Описание ИИС и входящих в них фун1Щиональных элементов может также производиться с помощью фущщиональных (разъясняющих протекающие в них процессы) и принципиальных (представляющих соединение выпускаемых промышленностью элементов систем с указанием их номинальных значений) схем. Следует отметить, что в связи с расширенным применением в ИИС многофункциональных интегральных ми1фосхем принципиальные схемы могут оказаться даже менее подробными, чем структурные.

Если структурные и функциональные схемы применяются преимущественно для рассмотрения принципов построения, при системном анализе, то принципиальные схемы предназначены для схемотехнической проработки системы.

Так как основное назначение книги связано с рассмотрением принципов построения систем, то в ней используются главным образом структурные схемы с условными графическими обозначения ми или с аббревиатурой названия элементов. Особенно наглядны ми в указанном смысле являются схемы, составленные из элементов, выполняющих типовые фушадиональные преобразования.

Прежде чем приступить к рассмотрению структур различных систем, уместно привести обобщенную струЕ'Стурную схему ИИС (рис. 1.1), с тем, чтобы одновременно познакомить читателя с условными графическими обозначениями типовых функциональных преобразователей, принятыми в 1шиге.

В обобщенной структурной схеме показано множество датчиков /, размещенных постоянно в определенных точках пространства, перемещающихся в пространстве (сканирующего типа) или воспринимающих одновременно поле исследуемой величины, множество аналоговых 2, аналого-цифровых 3 преобразователей, цифровые ча!сти 4 и 5, множество цифро-аналоговых преобразователей 6. Функциональные блоки могут соединяться между собой через стандартные интерфейсы (см. гл. 5), технические средства которых содержат системы шин 7.1, интерфейсных узлов ИФУ 7.2 и устройств управления 8. На рис. 1.1 показана также возможность соединения функциональных блоЕтов жестко установленными связями.

Обобщенная структурная схема ИИС