Дистанционные технологии в образовании

В России разработки по этой тематике ведутся в Институте проблем передачи информации РАН. Так называемый "инфракрасный прожектор", разработанный здесь, позволит даже в городских условиях при наличии большого числа источников инфракрасного излучения передавать информацию, кодированную исправляющим ошибки кодом со скоростью до 8 Мбит/с на дальность до 5 км. Устройство предназначено для привязки абонентов с большими информационными потребностями к сетям передачи данных типа Интернет. Причем стоимость использования "инфракрасного прожектора" существенно ниже, чем аналогичной по пропускной способности кабельной линии связи, радиорелейной или сотовой связи.

В целом, беспроводные линии связи в последнее время получили мощный импульс развития, вызванный, с одной стороны, растущими в геометрической прогрессии потребностями в передаче большими объемов информации в минимальные сроки, при обеспечении пользователю удобного, простого и экономически привлекательного доступа к информационным ресурсам; с другой стороны - бурным прогрессом цифровых методов передачи и обработки информации, появлением принципиально новых технологий обработки, организации передачи и сжатия информации, дальнейшей миниатюризацией электронных компонентов. Как показывает статистика, каждые десять лет потребность в передаче информации увеличивается в десять раз.

Поэтому в 1998-1999 годах ряд ведущих государств, в том числе и Россия, подписали Соглашение о совместном строительстве единого глобального информационного пространства, призванного как облегчить пользователям обмен информацией, так и обеспечить широкий доступ к уже созданным информационным ресурсам для всестороннего укрепления международного сотрудничества и доверия между странами.

Основные сетевые топологии

Сетевая топология описывает структуру объединения различных устройств. Существует несколько видов топологий, отличающихся друг от друга по трем основным критериям:

· режиму доступа к сети;

· средствам контроля, передачи и восстановления данных;

· возможности изменения числа узлов сети.

Основными применяемыми топологиями являются "звезда", "кольцо" и "шина".

В звездообразной топологии вся информация передается через некоторый центральный узел. Каждое устройство имеет свою собственную среду соединения (каналы связи, программная поддержка). Все периферийные станции могут обмениваться друг с другом только через центральный узел. Преимуществом этой структуры является то, что на среду передачи не может влиять никто, кроме ее собственника. С другой стороны, центральный узел должен быть исключительно надежным устройством. Кроме того, расширение сети возможно только в том случае, если организован порт для его подсоединения к Центральному узлу.

В кольцевой структуре информация передается от узла к узлу по физическому кольцу. Приемник копирует данные, регенерирует их вместе со своей квитанцией подтверждения следующему устройству в сети. Когда начальный передатчик получает свою собственную квитанцию, это означает, что его информация была корректно получена адресатом. В кольце не существует определенного централизованного контроля. Каждое устройство получает функции управляющего контроллера (так называемый "маркер") на строго определенный промежуток времени. Отказ в работе хотя бы одного узла приводит к нарушению работы кольца, а, следовательно, и к остановке всех передач.

В любой шинной структуре все устройства подсоединены к общей среде передачи данных, или шине. В отличие от "кольца" адресат получает свой информационный пакет без посредников. Процесс подключения к шине дополнительных узлов не требует аппаратных доработок со стороны уже работающих узлов сети, как это имеет место в случае топологии "звезда". Однако шинная топология требует жесткой регламентации доступа к среде передачи.

Существует два метода регулирования такого доступа -"шинного арбитража":

· "фиксированный мастер" (централизованный контроль шины), в соответствии с которым доступ к шине контролируется центральным мастер-узлом;

· "плавающий мастер" (децентрализованный контроль шины) благодаря собственному интеллекту каждое устройство само определяет регламент доступа к шине.

Протоколы обмена информацией

Протоколы обмена информацией - это принятые определенные правила построения информационных потоков, которые делают пере даваемую кодированную информацию понятной всем абонентам Обычно к числу таких правил относят: структуру построения блока данных, приемы реализации их контроля и пр.

Следует учитывать, что сложные протоколы повышают надежность передачи информации, но значительно снижают скорость ее передачи.

Принципиально каждый разработчик автоматизированной системы может использовать свой собственный протокол.

Однако подобная система будет доступна ограниченному кругу пользователей и не может быть интегрирована в сложные сетевые процессы обмена информацией.

Поэтому в международной практике приняты соответствующие стандарты на протоколы обмена информацией, среди которых можно выделить две крупные ветви: протоколы компьютерных сетей и полевые протоколы, работающие на уровне промышленных или полевых линий связи.

Протоколы компьютерных сетей

Среди протоколов информационных компьютерных сетей наибольшее распространение получило семейство (стек) протоколов TCP/IP (Transmission Control Protocol / Internet Protocol). Его лидирующая роль объясняется следующими свойствами:

· это наиболее завершенный стандартный и в то же время популярный стек сетевых протоколов, имеющий многолетнюю историю;

· почти все большие сети передают основную часть своего трафика с помощью протокола ТСР/IР;

· это метод получения доступа к сети Internet;

· этот стек служит основой для создания Intranet -- корпоративной сети, использующей транспортные услуги Internet и гипертекстовую технологию WWW, разработанную в Internet;

· все современные операционные системы поддерживают стек ТСР/IP;

· это гибкая технология для соединения разнородных систем как на уровне транспортных подсистем, так и на уровне прикладных сервисов;

· это устойчивая масштабируемая межплатформенная среда для приложений клиент-сервер.

Протоколы ТСР/IP делятся на 4 уровня:

Уровень IV поддерживает все популярные стандарты физического и канального уровней:

· для локальных сетей - это Ethernet, Token Ring, FDDI, Fast Ethernet, l00VG-AnyLAN;

· для глобальных сетей - протоколы соединений "точка - точка" SLIP и РРР, протоколы территориальных сетей с коммутацией пакетов Х.25, frame relay;

· разработана спецификация, определяющая использование технологии ATM в качестве транспорта канального уровня;

· при появлении новой технологии локальных или глобальных сетей она быстро включается в стек ТСP/IP за счет разработки соответствующего RFC (Request for Comment) - серии документов, описывающих сетевые сервисы и протоколы.

Уровень III - это уровень межсетевого взаимодействия, который занимается передачей пакетов данных с использованием различных транспортных технологий локальных сетей, территориальных сетей, линий специальной связи и т. п.:

· В качестве основного протокола сетевого уровня в стеке используется протокол IP (Internet Protocol), который первоначально проектировался как протокол передачи пакетов в сетях, состоящих из большого количества локальных сетей, объединенных как локальными, так и глобальными связями. Поэтому протокол IP хорошо работает в сетях со сложной топологией, рационально используя наличие в них подсистем и экономно расходуя пропускную способность связи.

· К уровню межсетевого взаимодействия относятся и все протоколы, связанные с составлением и модификацией таблиц маршрутизации, такие как протоколы сбора маршрутной информации RIP (Routing Internet Protocol) и OSPF (Open Shortest Path First), а также протокол межсетевых управляющих сообщений ICMP (Internet Control Message Protocol). Последний из перечисленных протоколов предназначен для обмена информацией об ошибках между маршрутизаторами сети и узлом-источником пакета данных. С помощью специальных пакетов ICMP сообщается о невозможности доставки пакета, о превышении времени жизни или продолжительности сборки пакета из фрагментов, об аномальных значениях параметров, об изменении маршрута пересылки и типа обслуживания, о состоянии системы и т.п.

Уровень II называется основным. На этом уровне функционируют протокол управления передачей TCP (Transmission Control Protocol) и протокол дейтаграмм пользователя UDP (User Datagram Protocol). Протокол TCP обеспечивает надежную передачу сообщений между удаленными прикладными процессами за счет образования виртуальных соединений. Протокол UDP обеспечивает передачу прикладных пакетов дейтаграммным способом, как и IP, и выполняет только функции связующего звена между сетевым протоколом и многочисленными прикладными процессами.

Уровень 1 называется прикладным. За долгие годы использования в сетях различных стран и организаций стек ТСР/IP накопил большое количество протоколов и сервисов прикладного уровня, к которым относятся:

· Протокол пересылки файлов FTP (File Transfer Protocol) реализует удаленный доступ к файлу. Для того чтобы обеспечить надежную передачу, FTP использует в качестве транспорта протокол с установлением соединений - TCP. Кроме пересылки файлов протокол FTP предлагает и другие услуги. Так, пользователю предоставляется возможность интерактивной работы с удаленной машиной, например, он может распечатать содержимое ее каталогов. Наконец, FTP выполняет аутентификацию пользователей. Прежде чем получить доступ к файлу, в соответствии с протоколом пользователи должны сообщить свое имя и пароль. Для доступа к публичным каталогам FTP-архивов Internet парольная аутентификация не требуется, и ее обходят за счет использования для такого доступа предопределенного имени пользователя Anonymous.

· В стеке TCP/IP протокол FTP предлагает наиболее широкий набор услуг для работы с файлами, однако он является и самым сложным для программирования. Приложения, которым не требуются все возможности FTP, могут использовать другой, более экономичный простейший протокол пересылки файлов TFTP (Trivial File Transfer Protocol). Этот протокол реализует только передачу файлов, причем в качестве транспорта используется более простой, чем TCP, протокол без установления соединения -- UDP.

· Протокол telnet обеспечивает передачу потока байтов между процессорами, а также между процессором и терминалом. Наиболее часто этот протокол используется для эмуляции терминала удаленного компьютера. При использовании сервиса telnet пользователь фактически управляет удаленным компьютером также, как локальный пользователь, поэтому такой вид доступа требует хорошей защиты. Поэтому серверы telnet всегда используют как минимум аутентификацию по паролю, а иногда и более мощные средства защиты, например, систему Kerberos.

Протокол SNMP (Simple Network Management Protocol) используется для организации сетевого управления. Протокол SNMP был разработан для удаленного контроля и управления маршрутизаторами Internet (шлюзами). С ростом популярности протокол SNMP стали применять и для управления любым коммуникационным оборудованием - концентраторами, мостами, сетевыми адаптерами и т.д.

Полевые протоколы

Сети, обеспечивающие информационные потоки между контроллерами, датчиками сигналов и разнообразными исполнительными механизмами, объединяются общим названием "промышленные сети или "полевая шина" (FieldBus). Протоколы, по которым работают полевые шины, относят к полевым протоколам.

Основная задача полевых сетей (следовательно, и полевых протоколов) - обеспечить совместимость на уровне сети аппаратных средств от разных производителей.

Предпочтительность того или иного сетевого решения как средства транспортировки данных можно оценить по следующей группе критериев:

· объем передаваемых полезных данных;

· время передачи фиксированного объема данных;

· удовлетворение требованиям задач реального времени;

· максимальная длина шины;

· допустимое число узлов на шине;

· помехозащищенность.

Часто улучшение по одному параметру может привести к снижению качества по другому, то есть при выборе того или иного протокольного решения необходимо следовать принципу разумной достаточности. Наиболее распространенными полевыми протоколами являются:

Протокол MODBUS разработан фирмой Gould Inc. для построения промышленных распределенных систем управления. Специальный физический интерфейс для него не определен и может быть выбран самим пользователем: RS-232C, RS-422, RS-485 или токовая петля 20мА.

Протокол работает по принципу Master/Slave. В сети могут находиться одновременно один Master-узел и до 247 Slave-узлов. Master-узел инициирует циклы обмена данными двух видов: запрос/ответ (адресуется только один из Slave-узлов) и широковещательная передача данных.

Протокол описывает фиксированный формат команд, последовательность полей в команде, обработку ошибок и исключительных состояний, коды функций. Каждый запрос со стороны ведущего узла включает код команды (чтение, запись и т.д.), адрес абонента, размер поля данных, собственно данные и контрольный код. В набор команд входят чтение/запись данных, функции диагностики, программные функции и т.п. Протокол MODBUS можно назвать наиболее распространенным в мире. Он привлекателен своей простотой и независимостью от физического интерфейса.

Протокол BITBUS разработан фирмой Intel в 1984 году для построения распределенных систем, в которых должны быть обеспечены высокая скорость передачи и надежность. Протоколу был присвоен статус стандарта IEEE 1118. Используется принцип Master/Slave. физический интерфейс основан на RS-485. Протокол не дает возможности построения сложных систем из-за простоты структуры его информационных пакетов. Он определяет два режима передачи данных по шине:

· Синхронный режим используется для работы на большой скорости, но на ограниченных расстояниях: от 500 до 2400 кбит/с на расстоянии до 30 м. При этом в сеть может быть включено до 28 узлов.

· Режим с самосинхронизацией, когда передача возможна на скоростях 375 Кбит/с (до 300 м) и 62,5 Кбит/с (до 1200 м). Используя шинные повторители, можно объединять последовательно несколько шинных сегментов (до 28 узлов на каждом). Тогда общее число узлов можно довести до 250, а длину шины - до нескольких километров.

Протокол PROFIBUS (Process Field Bus) первоначально предназначался для выполнения следующих действий:

· организации связи с устройствами, гарантирующими быстрый ответ;

· создания простой и экономичной системы передачи данных, основанной на стандартах;

· реализации интерфейса между протоколами передачи данных и пользователем.

В PROFIBUS используется гибридный метод доступа в структуре Master/Slave и децентрализованная процедура передачи маркера. Сеть может состоять из 122 узлов, 32 из которых могут быть Master-узлами. В среде Master-узлов передается маркер -- право проведения циклов передачи данных по шине. Все циклы строго регламентированы по времени, организована продуманная система тайм-аутов.

Протокол PROFIBUS является наиболее развивающимся и завоевывает все большую популярность.

Локальные компьютерные сети

Локальная компьютерная сеть или локальная вычислительная сеть (ЛВС, LAN - Local Area Network) - это объединение компьютеров и других устройств для создания общих ресурсов и совместного использования данных. Компьютеры, входящие в состав ЛВС, расположены на небольших расстояниях один от другого (комната, этаж, небольшое здание и т.п.). Существуют различные типы ЛВС: Ethernet, как описано в стандарте IEEE 802.3, представляет собой компьютерную сеть, основанную на использовании протокола CSMA/CD (множественный доступ к среде с детектированием несущей и обнаружением конфликтов) при передаче электрических сигналов по соединяющему компьютеры кабелю. Метод CSMA/CD обеспечивает каждой станции возможность передачи данных в сетевой кабель, при этом все станции имеют равные права. Прежде, чем начать передачу данных, станция должна "прослушать среду" и определить: не используется ли кабель в данный момент другой станцией. Если сеть занята, станция повторяет попытку по истечении случайного интервала времени. Если же среда свободна, станция начинает передачу данных.

Стандарт IEEE 802.3 содержит несколько спецификаций, отличающихся топологией и типом используемого кабеля. Например, 10BASE-5 использует толстый коаксиальный кабель, 10BASE-2 тонкий, a 10BASE-F, 10BASE-FB, 10BASE-FL и FOIRL используют оптический кабель. Наиболее популярна спецификация IEEE 802.3I 10BASE-T, в которой для организации сети используется кабель на основе неэкранированных скрученных пар с разъемами RJ-45. Ethernet поддерживает скорости передачи информации 10 и 100 Мбит/с.

Token Ring (маркерное кольцо) - это локальная компьютерная сеть, в которой передача информации (при скорости передачи 4 и 16 Мбит/с) организована на следующих основных принципах:

· станции подключаются к сети по топологии "кольцо";

· все станции, подключённые к сети, могут передавать данные, только получив разрешение на передачу (маркер);

· в любой момент времени только одна станция в сети обладает таким правом.

Управление станциями в сети Token Ring происходит с помощью передачи специального кадра - маркера. Станция, которая приняла маркер, получает право на передачу и может передавать данные. Для этого станция удаляет маркер из кольца, формирует кадр данных и передаёт его следующей станции. В сети Token Ring все станции принимают и ретранслируют все кадры, проходящие по кольцу. При приёме станция сравнивает поле адреса кадра с собственным адресок;. Если адреса не совпадают, то кадр передаётся далее по кольцу без изменений. Если адреса совпадают, или принят кадр с широковещательным адресом, то содержимое копируется в буфер станции, а по результатам приёма вносятся изменения в поле статуса кадра. Загс кадр передаётся далее по сети и, таким образом, возвращается на станцию-отправитель. Получив кадр, станция-отправитель проверяет поле статуса кадра, формирует маркер и передаёт его следующей станции. Таким образом, следующая станция получает право на передачу данных.

В последние несколько лет наметилось движение к отказу от использования в локальных сетях разделяемых сред передачи данных. Наметился переход на обязательное использование между станциями активных коммутаторов, к которым конечные узлы присоединяются индивидуальными линиями связи. В чистом виде такой подход предлагается в технологии ATM, а смешанный подход, сочетающий разделяемые и индивидуальные среды передачи данных, используется в технологиях, носящих традиционные названия с приставкой switching (коммутирующий): switching Ethernet, switching Token Ring и т.д.

Корпоративные сети

Корпоративная сеть - это (как и ЛВС) сеть, объединяющая компьютеры и другие устройства для создания общих ресурсов и совместного использования данных. Но, в отличие от ЛВС, корпоративные сети объединяют компьютеры в масштабе крупных предприятий или других образований, например администрация города или банковская система: в состав корпоративной сети может входить несколько сотен или тысяч компьютеров, находящихся на значительном расстоянии друг от друга, даже в разных городах. Компьютеры отдельных подразделений обычно объединяются в ЛВС, которые и охватываются единой корпоративной сетью с помощью самых разнообразных каналов связи и сетей различного типа.

Разветвленность и большое количество абонентов сети делает крупные корпоративные сети похожими на Internet. В связи с этим в корпоративных сетях все больше применяются хорошо развитые технологии Internet, использующие протоколы прикладного уровня ТСР/IP: корпоративная почта, доступ к файлам, базам данных и т.п. Такие сети получили название Intranet.

Глобальная компьютерная сеть

Сеть Internet (Интернет) можно описать как огромную цифровую магистраль -- систему, связывающую миллионы компьютеров, подключенных к тысячам сетей по всему миру. Ее прошлое уходит своими корнями в эпоху холодной войны, конец 60-х - начало 70-х годов. Первоначально данные разработки финансировались правительством США, и сеть, ставшая предшественницей Internet, была специально спроектирована таким образом, чтобы обеспечить коммуникации между правительственными узлами в том случае, если часть ее выйдет из строя в результате ядерной атаки. Применяемый в ней протокол TCP/IP разработан с учетом того, чтобы компьютеры всех видов могли совместно использовать сетевые средства и непосредственно взаимодействовать друг с другом, как одна эффективно интегрированная компьютерная сеть. Сегодня сеть Internet связывает уже десятки миллионов пользователей компьютеров во всем мире. Эта глобальная "сеть сетей" охватывает тысячи университетских, правительственных и корпоративных сетевых систем, связанных высокоскоростными частными и общедоступными сетями.

Internet - это общедоступная сеть, открытая для любого пользователя, имеющего модем и/или инсталлированное программное обеспечение для работы по протоколу TCP/IP. Допуск в Internet через постоянное сетевое соединение или коммутируемую линию предоставляется провайдером услуг Internet (Internet Service Provider - ISP).

Internet функционирует, не имея никакой центральной организации, которая осуществляла бы управление или руководство ею, за исключением, Центра сетевой информации Internet - InterNIC (Internet Network Information Center), организации, предлагающей информационные и регистрационные услуги пользователям Internet.

Магистрально-модульные системы (MMS)

Универсальные магистрально-модульные системы (MMS) представляют собою набор типовых измерительно-управляющих модулей ввода/вывода цифровой, аналоговой и дискретной информации, установленных в один из стандартных каркасов (крейтов) с общим блоком энергоснабжения, объединенных общей информационной магистралью и управляемых от удаленного компьютера посредством встроенного в крейт контроллера. Приведенные системы при общности их основной структуры отличаются конструктивным исполнением, энергетическими показателями, функциональными возможностями.

Одна из первых MMS, принятых в качестве международного стандарта - САМАС (Computer Application to Measurement And Control) в 1972 г., успешно используется до настоящего времени. В стандарте САМАС фирмами различных стран разработано и эксплуатируется более 1500 функциональных модулей измерения и управления. САМАС не имеет собственных вычислительных средств, но может управляться практически от любого компьютера, для чего в крейт Устанавливается соответствующий выбранному компьютеру контроллер, а в сам компьютер должна быть установлена соответствующая плата адаптера, согласующая магистраль выбранного компьютера со стандартной магистралью САМАС. В САМАС принята достаточно быстрая магистраль с 24-разрядными шинами адреса, данных и тиной управления, со временем цикла по магистрали - 1 мкс (что эквивалентно скорости передачи данных по магистрали 16 Мбит/с). Однако наличие между функциональными модулями и управляющим компьютером промежуточных устройств (контроллер - кабель связи-адаптер) делает результирующее быстродействие системы не более одного Мбит/с.

Дальнейшим развитием идеологии MMS, но на новой элементной базе более высокой степени интеграции являются системы VME (Versabus Module Europe-bus) и VXI (VMEbus extensions for Instrumentation). Кроме современной элементной базы, обеспечивающей более высокую функциональную насыщенность и быстродействие каждого модуля, здесь следует выделить несколько принципиальных особенностей:

· Контроллер крейта стал интеллектуальным, что позволяет перенести программы управления модулями с удаленного компьютера непосредственно в состав крейта, а это повышает общее быстродействие системы практически на порядок. Кроме того, в ряде случаев (например, в некоторых контроллерах VXI) стали использоваться RISC-процессоры реального времени, что еще больше увеличивает быстродействие системы.

· В основе VXI лежит магистраль новой архитектуры, которая разрешает прямое обращение одного модуля к памяти другого и наоборот, что расширяет функциональные возможности системы, снижает количество ошибок и существенно повышает надежность и скорость работы. Итоговая скорость магистрали VXI достигает 360 Мбит/с.

· Большинство функциональных модулей сами стали интеллектуальными за счет введения в их состав специализированных микроконтроллеров, что значительно улучшило функциональные возможности таких модулей. Появился режим самодиагностики, автоматической коррекции нулевых сигналов, предварительное накопление и обработка данных, программное изменение параметров модуля, улучшилась процедура обмена данными с обшей магистралью и пр. Так, модули VXI имеют оперативную память до 64 Мбайт. Эта память может быть использована как для хранения экспериментальных данных, так и данных, характеризующих сложные сигналы управления. Кроме того, как уже говорилось, содержимое памяти каждого модуля может быть получено другим модулем для обработки или иного использования с высокой скоростью магистрали.

Сравнительно недавно появились компактные и высокоэффективные MMS разработки американской фирмы National Instruments для обслуживания объектов средней сложности PXI (PCI extensions for Instrumentation) и SCXI (Signal Conditioning extensions for Instrumentation).

PXI представляет собой магистрально-модульную систему на основе компьютерной магистрали PCI (Peripherial Computer Interconnect), скорость передачи информации по которой составляет 132 Мбайт/с, дополненной линиями синхронизации модулей (10 МГц) и линиями передачи аналоговых сигналов. Контроллер крейта выполнен по архитектуре управляющего компьютера с процессором Intel Pentium в том же конструктиве, что и модули, и устанавливается в крейт как один из модулей. Стандартная система PXI имеет 8 слотов расширения PCI, а с помощью мостов PCI -- PCI количество подключаемых модулей может расширяться практически неограниченно. Ассортимент модулей повторяет типовой набор устройств ввода/вывода с добавлением высокоскоростных измерителей, модуля оцифровки изображения и других модулей, что позволяет реализовать на основе PXI достаточно эффективные автоматизированные системы средней сложности.

SCXI является еще более простой и компактной системой, которая, как и САМАС, не имеет собственных вычислительных ресурсов, а подключается к внешнему управляющему компьютеру через параллельный порт. SCXI представляет собой многоканальную систему согласования и ввода/вывода сигналов для работы с Plugin-Card, PXI, VXI. SCXI может использоваться как дополнение к измерительно-управляющим платам и модулям для согласования сигналов или как самостоятельная законченная система ввода/вывода. SCXI- система состоит из одного или нескольких крейтов для размещения в каждом 4-х или 12-ти модулей разного функционального назначения.

Таким образом, общим для всех MMS является объединение Функциональных модулей в едином каркасе общей магистралью, что обеспечивает их эффективное управление от главного модуля (контроллера), также устанавливаемого в общий крейт.

Достоинством 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.