Измерительно-вычислительные средства позволяют существенно усилить функциональные возможности изделий ГСП, увеличить удельный вес сложных алгоритмов измерения, позволяющих улучшить метрологические характеристики (путем автокоррекции, самокалибровки и т. д.), и получать количественные оценки зависимостей и функций от входных величин. При анализе функционирования иве особо обращено внимание на участие процессоров в реализации измерительных процедур, в получении результатов измерений.

Для построения широкого класса систем необходимы унифицирующие преобразователи сигналов датчиков неэлектрических величин, преобразователи параметров электрической энергии и другие аналоговые функциональные устройства. Состав таких устройств в АСЭТ-111 представлен ка рис. 3.1. В этом комплексе предусмотрена довольно обширная номенклатура аналоговых измерительных преобразователей с улучшенными характеристиками. В частности, предполагается, что погрешность измерительных преобразователей будет доведена до +0,2% при постоянной времени до 0,1-0,5 с.

Предусматривается, что групповые унифицирующие преобразователи (до 30 типов) для тензометрических мостов, термопар и термометров сопротивления будут иметь класс точности 0,2-1,0 и время установления показаний примерно 0,1-1,0 с.

Измерительные коммутаторы (рис. 3.2) составляют около 15- 20% объема всего оборудования ИВК и ИИС.

Серийный коммутатор Ф7078 с узлом приборного интерфейса имеет основную погрешность коммутации ±0,001 и ±0,05%, время коммутации 5 мс и 5 мкс соответственно на контактных и бесконтактных ключах, число коммутируемых напряжений (10 В) от 100 до 1000.

Коммутатор Ф7076 имеет примерно такие же погрешности и быстродействие. Количество коммутируемых напряжений колеблется Б пределах от 32 до 16000, может быть организована матричная структура, содержащая до десяти матриц ЮХЮ. Наработка на отказ составляет 5000 ч.

Намечается выпуск унифицированного модульного коммутатора с микропроцессорным управлением.

Развитие аналого-цифровых преобразователей (АЦП) связано с дальнейшим улучшением технических характеристик: для устройств поразрядного уравновешивания-14 разрядов, класс до 0,02-0,005, время измерения 40-100 мкс; для преобразователей с аналоговым ЗУ-8 разрядов, класс 0,5, время измерения 0,05 мкс либо класс 0,2, время измерения 3 мкс.

В АСЭТ-П1 предусматривается создание аналого-цифровых измерительных блоков, объединяющих аналоговые коммутаторы, АЦП и микропроцессоры. Нужно подчеркнуть, что, видимо, разработка и выпуск аналого-цифровых измерительных блоков, обладающих различными характеристиками, должны занять заметное место Б продукции АСЭТ.

Измерительные преобразователи

Встраиваемые Автономные

Электрических Величин

Сигналов датчиков незлектри-ческих величин

Неоднородных величин

Однородных Величин

Индивидуальные ГруппоВые

О'юв 7 \

Индивидуальные

Р

u=/f

J=/f

Рис. 3.1. Аналоговые функциональные устройства АСЭТ-111

Измерительные (аналоговые)

Цидзро-Вые

R,L,C, Р, Ч>

и- 5 и -

f, Vfmj R,L,C

Рис. 3.2. Аналого-цифровые электроизмерительные средства АСЭТ-IIl

Ф,В f,/>,Atf R,L,C

Цифро-аналоговые преобразователи (ЦАП) необходимы как для создания АЦП, так и для выполнения автоматических поверок. Предусмотрен выпуск ряда таких преобразователей.

Цифровые измерительные приборы (ЦИП) представляют значительную часть изделий АСЭТ-П1. Следует отметить, что предусмотрено создание ряда ЦИП с микропроцессорами, в том числе комбинированных.

Аналоговые устройства измерения (рис. 3.3,а) необходимы для промышленных ИИС. Они устанавливаются на щитах и пультах управления. Помимо традиционных направлений улучшения конст-

руктивного оформления таких устройств здесь намечена работа по применению оптоэлектронных приборов с газоразрядными, светодиодными, жидкокристаллическими шкалами. Предполагается к 1990 г. заменить ими 60-70% выпуска стрелочных приборов.

Готовятся к выпуску новые самопишущие многоканальные приборы, в том числе двухкоординатный прибор H3Q7, имеющий размеры поля записи 200X300 мм и погрешность ±0,5%.

В номенклатуру АСЭТ включены знакоцифровые катодолюми-несцентные индикаторы Ф7097, содержащие 16 табло на 44 знакоместа, индикатор Ф7099, имеющий 16 каналов, шкалу на 50 деле-

Устройстда измерения

Устройства предс'тадлеиия инсрормации

Показываюш,ие

Регистрируют, ие

-О

Н=,Н^,Ф^В f,P,f(x,y)

Показывающие

Т

Регистрируют, ие

т

Знаксара-рические

Рис. 3.3. Аналоговые устройства измерения (а) и представления информации (б)

НИИ и цифровое табло на 6 знакомест, малогабаритный дисплей .для отображения гистограмм и результатов допускового контроля, устройства отображения графиков, гистограмм и текста, содержащих до 768 символов в кадре и 7 цветов, и другие изделия (рис. 3.3, б).

Регистрирующее устройство на термочувствительной бумаге Ш,68401 отличается высокой скоростью печати (180 строк/мин) при 64 разрядах в строке, цифровой магнитный регистратор-скоростью записи 2 кбайт/с при записи байта в строке и продольной плотностью записи 100 бит/мм.

В АСЭТ-П1 также предусматривается создание микроэлектронных интегральных микросхем для электроизмерительной техники (пленочных резистивиых схем, операционных усилителей, стабилизаторов напряжения, АЦП, программируемых системных устройств ИТ. п.).

В комплекс включены средства управления и связи между функциональными блоками систем. К ним относятся блоки управления - ручные и автоматические (с микро-ЭВМ), групповые интерфейсные узлы, расширители шин, мультиплексоры, таймеры и т. п.

В состав АСЭТ-111 входят ИВК, которые могут создаваться из системных средств как в приборном, так и в функционально-мо-

дульном оформлении. Аналого-цифровые измерительные Олоки и ИВК будут рассмотрены в гл. 8 и 9.

.Завершая краткое описание агрегатного комплекса АСЭТ-П1, следует отметить, что для его дальнейшего развития нужна ускоренная методологическая разработка вопросов совместного выполнения в изделиях комплекса измерительных и вычислительных процедур, усиленная работа по созданию интеллектуального программного обеспечения для средств измерения с микропроцессо рами и ЭВМ, а также разработка изделий, основанных иа использовании больших и сверхбольших интегральных микросхем.

Глава 4

УСТРОЙСТВА ОТОБРАЖЕНИЯ И ХРАНЕНИЯ ИНФОРМАЦИИ В ИИС

Отображение (индикация, сигнализация) - визуальное представление чело веку-оператору количественной информации, необходимой для его общения с ИИС.

Регистрация количественной (измерительной, контрольной, служебной) информации связана с записью и долговременным хранением этой информации в форме, пригодной для непосредственного восприятия ее человеком-оператором.

Устройства оперативной памяти используются в ИИС для временного, оперативного накопления информации.

Устройства отображения и хранения информации являются системным оборудованием, в значительной степени определяющим качество ИИС. Поэтому целесообразно сконцентрировать данные по основным типам этих устройств с учетом специфики их использования в ИИС, проявляющейся в массовости и многог мерности информации, наличии ЭВМ и программируемых устройств.

4.1. ИНДИКАЦИЯ В ИИС

Индикация (визуализация) непрерывных и дискретных величин связана с их преобразованием в линейные или угловые перемещения, изменения площади илв других параметров, удобных для зрительного восприятия [4.1, 4.2].

Информационные возможности восприятия визуальных аналоговых сигналов можно оценить количеством градаций, которые уверенно различаются one ратором. Приведем грубую оценку информационной возможности для следующих наиболее распространенных форм аналоговы,ч визуально воспринимаемых сигналов: длина линии - 4-6, площадь - 3-5, ориентирование линий - до 16,. тип линий (сплощные, пунктирные и т. п.) -4-5, цвет -до 10 градаций. Резко-повышается информационная возможность восприятия аналоговых сигналов при-введении мер (в виде сеток, штрихов с известными расстояниями между ними и т. п.), с которыми можно сравнивать аналоговую величину.

Типичным для индикации одной измеряемой величины является использование линейных и угловых шкал. Для одновременной индикации относительно, большого количества величин в измерительных системах используются малога-баритные измерительные и контрольно-измерительные стрелочные приборы, ли-

шейные газоразрядные индикаторы, матричные средства индикации, электроннолучевые трубки (ЭЛТ) и др.

Инженерно-психофизиологические оценки групповых индикаторов показы-.вают, что они позволяют оператору быстрее воспринимать информацию по сравнению с представлением тех же величин с помощью индивидуальных шкал и резко уменьшать размеры пультов и щитов операторов. На рис. 4.1 представлены шкалы групповых индикаторов для приборов типа АСК (а), линейных газоразрядных индикаторов (б), матричных индикаторных устройств (е) и ЭЛТ (г-е).

Рис. 4.1. Типы шкал групповых индикаторов измерительной информации:

и - шкалы групповых показывающих приборов типа аск; б - газоразрядные индикаторы; в -матричные индикаторы; г-е - индикация иа экранах элт

В ИИС используются устройства отображения непрерывных сигналов с символическим представлением реальной обстановки, отражающим, например, положение движущегося аппарата относительно заданного направления [4.2].

Представляет интерес техника трехмерной индикации, позволяющая воспроизводить поведение измеряемых величин в пространстве или наглядно представить взаимосвязь нескольких величин.

Для построения объемных изображений используются:

вращающееся зеркало с освещением (мгновенным) определенных точек;

прочерчивание и окраска следа в объемном прозрачном составе (например, пузырьковая камера для визуализации траектории движения частиц).

К устройствам с заранее сформированными знаками относятся оптические проекционные устройства, световодные индикаторы, газоразрядные индикаторы, знаковые ЭЛТ типа характрон, содержащие матрицу с трафаретами знаков, и другие в меньшей степени используемые в ИИС устройства.

К устройствам, в которых производятся синтез и последующая визуализация знаков, относятся люминесцентные и полупроводниковые многоэлементные индикаторы ЭЛТ и экраны [4.1, 4.2]. Индицирующие устройства с заранее сформированными знаками описаны в многочисленной литературе.

Остановимся на широко используемых в современных ИИС универсальных индикаторах, основанных на точечном описании отображаемых знаков или непрерывных величин. Для управления индикацией при этом используется цифровая техника. В качестве универсального индикатора наиболее часто применяется

J-LTL

Рис. 4.2. Структурная схема экранного пульта (дисплея)

телевизионная ЭЛТ. Это ооъясняется в первую очередь высокой эффективностью й быстродействием катодолюминофоров, относительной простотой управления ЭЛТ.

По стандартному телевизионному растру по горизонтали количество различимых градаций N=50Qh, где h - половина расстояния между соседними знаками. Если знак отображается 7X5 элементами, то по горизонтали можно разместить до 64 знаков.

Для ЭЛТ с отношением сторон 4/5 и расстоянием между строками 2 Л количество строк равно 32. Следовательно, на ЭЛТ при принятых данных может быть размещено Q=32-64=2048 знаков. Если принять размер знаков (с промежутками) 6X3,5 мм, то можно для размещения 2048 знаков использовать ЭЛТ с размером по диагонали 400. мм.

Чтобы изображение казалось неподвижным, необходимо производить многократную регенерацию знаков (обычно с частотой 25 или 50 Гц) и использовать люминофоры с послесвечением в течение 30-40 мс.

Если в памяти хранить состояние каждого элемента, то необходимо пользоваться ЗУ большой емкости (при приведенных данных емкость ЗУ должна быть примерно 10 Кбайт для одного кадра).

Уменьшить емкость памяти можно, используя микропрограммы знаков.

Для отображения как аналоговой, так и знаковой информации с помощью ЭЛТ, для общения оператора с системой широко используются так называемые экранные пульты-дисплеи. Экранные пульты содержат электронно-лучевые трубки, устройства памяти, генераторы изображений, клавиатуру Кл для ввода информации и управления работой пульта, включающую также устройство для изменения положения метки-указателя на экране, светового, ультразвукового или электронного пера П (рис. 4.2).

Серийно выпускаются экранные пульты для отображения алфавитно-цифровой (например, EC-706I, ЕС-7063, Видеотон-340 ), графической одноцветной (например, ЕС-7064, ЭПГ-СМ) и многоцветной (например, терминал А543-11 СМ) информации. В них применяются электронно-лучевые трубки различных размеров экрана (часто 250, 430 мм по диагонали), на котором можно разместить 1024, 2048 знаков или 1024X1024 точек. Клавиатура пультов позволяет осуществить ввод букв и цифр, а также до 40 символов и других функциональных знаков (обычно до 50-70 клавиш).

Экранные пульты содержат оперативную буферную память емкостью несколько килобайт. Построение кадра изображения в таких пультах выполняется за время от 1 до 60 мкс. Изображение на экране регенерируется в большинстве случаев с частотой 50 Гц.

Большинство экранных пультов рассчитано на работу с ЭВМ на расстоянии, не превышающем 20 м. Однако имеются дисплейные комплексы, объединяю-щие работу нескольких экранных пультов - терминалов, которые могут размещаться от ЭВМ на расстоянии до нескольких сот метров.

Так называемые интеллектуальные экранные пульты включают в свои со став микро-ЭВМ, а также стандартную периферию (накопители информации, устройства ввода-вывода).

Программное обеспечение экранных пультов обычно позволяет выполнять различные режимы отображения (мигание, выделение по яркости и т. п.), документирования, редактирования и коррекции, изменять масштаб, сдвигать, по-.ворачивать изображение, вносить дополнительную информацию и т. п.

Экранные пульты позволяют в диалоговом (интерактивном) режиме выполнять графические работы, связанные с компоновкой и вычерчиванием схем, кон- струкций, представление как статических, так и динамических изображений. Это позволило открыть новое направление их использования - машинную графику [4.4].

Рис. 4.3. Вольт-яркостные характеристики видеопреобразователей:

/ - светодподы (2-5 В, 10 А/см°); 2 - лампы накаливания (5-24 В, 10-100 А/см=); 3- электролюминесцентные пленочные элементы (20-30 В, 0,3 А/сн); 4 - жидкокристалличе-.кие элементы (.5-30 В, 0,01 А/см=); S - газоразрядные панели (150-200 В, 0,1 А/сн)

Для оперативного взаимодействия оператора с ИИС должны иметься со-ютветствующие программы [4.1, 4.3].

К универсальным относятся также матричные индикаторы, состоящие из матрицы видеопреобразователей, обладающих релейными характеристиками и управляемых независимо друг от друга.

Для точечного видеопреобразования в матричных индикаторах используются светоизлучающие (лампы накаливания, светодиоды, электролюминесцентные я т. п.) и светоклапанные (электромеханические, жидкокристаллические и др.) элементы.

Примерные вольт-яркостные характеристики впдеопреобразователей ириведены на рис. 4.3 [4.4]; здесь С/упр - напряжение управления, В - яркость, вы-[ражениая в относительных единицах. Нелинейным эффектом обладают светодиоды, электролюминесцентные пленочные и газоразрядные индикаторы. Для использования в точечных индикаторах ламп накаливания и жидкокристаллических преобразователей необходимо ввести дополнительно нелинейные элементы. Нужно отметить, что использование светодподов затруднено в виду большой плотности тока, а ламп накаливания - из-за больших постоянных времени (до секунд).

Основным используемым свойством жидких кристаллов - прозрачных органических жидкостей - является изменение их оптических свойств (прозрачно-сти) под воздействием электрических напряжений, тепловых потоков, давлений м механических сил. Имеются разработки жидких кристаллов, обладающих за поминающими свойствами. Так как индикаторы на жидких кристаллах работают !По принципу отражения света, то чем ярче внешнее освещение, тем лучше видны

индицируемые знаки. Основные недостатки индикаторов иа жидких кристаллах связаны с тем, что для перехода из непрозрачного в прозрачное состояипе требуется около сотни миллисекунд. Срок службы при работе на переменном токе составляет около 10 ООО ч.

Промышленностью выпускаются матричные индикаторные устройства на газоразрядных и люминесцентных индикаторных панелях, с цифровым управлением и памятью. Количество элементов матричных индикаторов - от 100X100 до 512X512, частота формирования кадров - до 130 в 1 с.

Имеются разработки трехцветных матричных индикаторов и индикаторов с несколькими (до 32) управляемыми дискретными градациями яркости элементов.

Учитывая, что аналоговый и цифровой методы представления измерительной информации имеют свои преимущества и недостатки, можно предполо}кить, что в ИИС все бо.1ьшее применение будет иметь смешанное аналого-цифровое представление информации. Аналоговая форма представления информации позволяет в компактном виде отобразить непрерывные величины; цифровое представление информации может использоваться для измеряемых величин, значения которых необходимо знать в процессе измерения с повышенной точностью. Матричные индикаторы с несколькими уровнями градаций яркости могут быть использованы для отображения взаимосвязей между измеряемыми параметрами. Так, например, отклонения измеряемых параметров от нормальных значений могут ото^ Сражаться яркостью свечения элементов Axi главной диагонали матрицы

Axj Gi2Va . . . ai Ax j

a яркость свечения внедиагональных элементов позволяет оценить вклад соответствующих величин в отклонения измеряемых параметров.

Можно предполагать, что матричные индикаторы будут быстро совершенствоваться и получать широкое применение.

Пожалуй, наиболее полно современные достижения в области универсальных средств отображения информации используются в центре управления космическими полетами. В этом отношении представляет интерес книга [4.5].

4.2. ЗАПИСЬ И ХРАНЕНИЕ ИНФОРМАЦИИ В ИИС

Регистрация аналоговой информации

При регистрации непрерывных и дискретных сигналов в большинстве случаев используются свойства изменения состояния носителя информации под влиянием внешних механических, электромагнитных, тепловых и других воздействий.

В ИИТ большое применение помимо разнообразных самописцев имеют све-толучевые и электронно-лучевые осциллографы [4.6] с регистрацией на фоточувствительных материалах. Выпускаемые отечественной промышленностью све-толучевые осциллографы типов Н700, Н004, Н008М, НОЮМ, Н017 и др. позволяют регистрировать со статической погрешностью до 2 % от 3 до 30 величин, имеющих частотный диапазон от О до 5000 Гц. Чувствительность осциллографов по току от 3.3-103 до 6-10* мм/(мА-м). Имеются светолучевые осциллографы.

лозволяющие регистрирова ь напряжения с частотой до 30 кГц, а также имеющие до 50 каналов.

Электронно-лучевые осциллографы Н023 с трубкой 6ЛО-2А позволяют регистрировать с помощью фотозаписи девять аналоговых величин в частотном диапазоне до 50 кГц, их чувствительность по току от 2 до 120 мм/А, по напряже мию 0,12 мм/В. Осциллографы Н040 имеют полосу частот до 1000 кГц и шесть .каналов регистрации. К осциллографам выпускаются многоканальные усилители (например, Ф720 с коэффициентом усиления 2500).

Известны попытки улучшения фотоматериалов, источников света светолуче-вых осциллографов, применения волоконных планшайб. Промышленностью вы-

Рис. 4.4. Структурная схема графопостроителей типа ПДС

ДОС

Рис. 4.5. Цифровая следящая система

пускаются светолучевые осциллографы типов HI 15, К115, HI 17 и др. с ультрафиолетовой записью на бумагу типа УФ, не требующей химического проявления, а также с записью электрографическим способом (Н009, Н001 и др.).

Применяются электронно-лучевые осциллографы с электростатической записью, обладающей по сравнению с фотографической записью некоторыми преимуществами, связанными с упрощением условий хранения и способов проявления записанных кривых.

Весьма широкое применение в ИИС имеет электромагнитная регистрация, часто используемая для оперативной памяти. Для регистрации непрерывных величин в качестве носителей информации используются ленты (МЛ) с ферромагнитным покрытием (ширина 3,8; 6,35; 12,7; 25,4 и до 125 мм, толщина покрытия примерно 0,02 мм, диаметр ферромагнитных зерен до 0,3 мкм, коэрцитивная сила до 250 А/м), стальные лента (толщиной до 0,05 мм) и проволока. Последние позволяют резко повысить плотность регистрации по сравнению с пленками, имеющими ферромагнитное покрытие. Разрабатываются способы очень плотной записи с помощью лазерного луча (доведение температуры участков до точки Кюри).

Использование одновременно нескольких головок записи, расположенных параллельно и последовательно, позволяет регистрировать большое количество данных (до 100 процессов).

При записи непрерывных процессов на МЛ обычно используются частотно-модулированные сигналы: амплитудно-модулированные сигналы ввиду влияния

неравномерности покрытия, зерен в ферромагнитном материале и неравномерности движения пленки при записи и воспроизведении данных могут, если не принимаются специальные меры, существенно искажаться. Для записи используется в большинстве случаев размагниченная пленка (на магнитную головку при записи подается переменное размагничивающее напряжение), а для выбора рабочего диапазона записи на линейных участках кривой намагничивания подается смещающее напряжение. Использование неразмагниченной пленки нежелательно, так как высок уровень шумов при нулевых значениях сигнала.

Имеется возможность осуществить визуализацию магнитной записи путем обработки ее с помощью магнитного порошка. Электрографические, термоэлектрические, электрохимические регистраторы [4.7J имеют относительно невысокое быстродействие и находят применение в специализированных ИИС.

На выходе ИИС (как и ЭВМ) используются двухкоординатные графопостроители. Они основываются на нескольких принципах действия. По одному из них коды на входах графопостроителей преобразуются в напряжение, которое регистрируется автоматическими компенсаторами. На этом методе основаны выпускаемые промышленностью графопостроители типа ПДС-021 (скорость регистрации 250 мм/с, погрешность 0,5 7о, размер рабочего поля 350X250 мм), ДРП-3 (время пробега всей шкалы +100 В -0,5 с, погрешность +0,15%, размер рабочего поля 800X800 мм). Структурная схема таких приборов представлена на рис. 4.4. На этой схеме ССх. и ССу - следящие системы, ВУ -вакуумное устройство для закрепления бумаги. На рис. 4.4 не показано устройство для интерполяции по осям X и Y.

Другой принцип - цифровое слежение за значением кода (рис. 4.5). Работает цифровая следящая система следующим образом: на входы реверсивного счетчика поступают импульсы унитарного (единичного) кода и вычитающиеся из него импульсы от датчика обратной связи ДОС, количество которых пропорционально линейному перемещению; образованный в счетчике код преобразуется в напряжение, приводящее в дви}кение регистрирующий элемент.

Третья возможность - построение графиков с помощью шаговых двигателей. Имеются автоматические построители графиков с шаговым двигателем со скоростью перемещения карандаша 4 м/с, дискретностью около 0,1 мм на 1 импульс и погрешностью +0,2 мм на формате 800 X 800 мм. В них используется линейный интерполятор.

Наконец, применяется развертывающая регистрация при одновременном движении регистрирующего элемента (или гребенки элементов) и носителя. Этот метод позволяет создавать быстродействующие построители нескольких графиков на одном носителе. Недостатки таких регистраторов связаны с тем, что в них регистрация осуществляется на движущемся носителе или регистрирующем органе, и поэтому регистрируется часто не точка, а короткий штрих.

С использованием решетчатой гребенки регистрирующих элементов можно достигнуть относительно высоких скоростей регистрации (до 50 строк/с) при погрешности примерно ±0,5 % и размере по оси X около +100 мм.

В ряде случаев в качестве развертывающего устройства (зачастую для визуального наблюдения) используют ЭЛТ.

Если выполнить аналого-цифровые преобразование дискрет непрерывной фушти времени 1 .ф(/: = ,+1) I[л:()/л:(,)] I[x(,)M]. а затем сделать пре-

вбразование 1[г,- (4] ш(1=п) П числовых значений в линейное положение све-