Проектування комп’ютерних систем реального часу

У наш час широке розповсюдження отримали системи реального часу (СРЧ). Вони є основою для побудови систем, що дозволяють вирішувати безліч завдань, основними з яких є:

Автоматизація управління технологічними процесами;

Автоматизація наукових досліджень;

Автоматизація управління рухомими об'єктами.

У більшості випадків СРЧ створюються для галузей, де використовуються складні технологічні процеси зі складною організацією системи в цілому. Тому для таких систем необхідно , щоб усі процеси контролювалися у темпі реального часу. Надійність та передбачуваність таких комплексів є необхідними умовами для СРЧ. Обчислювальні системи реального часу допомагають у галузях, де контроль та керування процесів людиною є неможливим або важким завданням.

Сукупність функцій будь-якої обчислювальної системи базується на особливостях вирішуємих завдань та структурних особливостях апаратної та програмної середовищ.

Особливості побудови керуючих обчислювальних систем залежать від особливостей побудови зовнішніх компонент (ЗК). Процес вирішення єдиного завдання має враховувати особливості поводження процесів у зовнішніх компонентах. У свою чергу структура та функції ЗК визначаються за областю використання самої СРЧ. У залежності від особливостей процесів та структури зовнішніх компонент проектується схемотехніка апаратних вузлів та забезпечується взаємодія за допомогою інтерфейсу з зовнішньою компонентою.

1. Аналіз системи збору первинної інформації та розробка Структури КЕРУЮЧОЇ ЕОМ АСУ ТП

1.1 Узагальнена структура апаратних засобів системи РЧ

Системи реального часу - це окремий клас цифрових обчислювальних систем, що має свої відмінності та особливості, які належать тільки даному класу систем. Основною структурною особливістю систем реального часу (СРЧ) є наявність багатьох компонент, де кожна з компонент реалізує деякі процеси, загальна сума яких у всіх компонентах дозволяє отримати рішення єдиного завдання, що є метою створення такої системи. Основні структурні компоненти комп'ютерної системи реального часу (КС РЧ):

Обчислювальна середа.

Користувач (інтерфейс користувача).

Зовнішні компоненти (датчики, виконавчі механізми).

Узагальнена структура комп'ютерної системи реального часу з трьома компонентами, що були зазначені вище, зображена на рисунку 1.1.

Рисунок 1.1 - Структура моделі СРЧ

Зовнішні компоненти являють собою датчики та виконавчі механізми. Апаратна середа обчислювача СРВ повинна враховувати особливості протікання процесів у кожній з цих компонент.

Зовнішні компоненти, в більшості випадків, характеризуються поданням функціонально істотних процесів у вигляді сукупності фізичних процесів, що протікають у функції незалежної змінної часу. Окремими інформаційними складовими процесів в таких компонентах є значення параметрів різних фізичних процесів. Динамічні характеристики таких параметрів залежать в основному від фізичної природи кожної з зовнішніх компонент і структурних особливостей їх побудови. Параметри таких процесів у кожної з компонент розвиваються у взаємозв'язку з процесами в ряді інших компонентів (в залежності від функціональної зв'язності компонент при вирішенні конкретної задачі). Зміни параметрів у зв'язковий сукупності компонент відбувається на фізичному рівні і протікає у функції реального часу, тобто в темпі протікання фізичних процесів, що визначається в основному фізичними, внутрішніми характеристиками і взаємодіями між процесами.

Датчики виконують перетворення фізичних значень параметрів у відповідні значення параметрів лінії зв'язку з інтерфейсом обчислювальної системи.

Виконавчі механізми забезпечують перетворення кількісних змін електричних параметрів лінії зв'язку в зміну фізичних параметрів зовнішньої компоненти.

Системи реального часу є апаратно-програмнім комплексом, обчислювальні процеси яких повинні мати властивості отримання достовірних даних разом з зовнішньою компонентою або їх множині, в яких процеси виконуються в функції незалежної змінної часу. Обчислювальна середа реалізує модель математичного опису реальних процесів (f(t)) з деяким наближенням, яке оцінюється як погрішність моделювання (f`(t`)). Достовірність отримання єдиного рішення задач залежить від розміру погрішності модельних розрахунків, що виконуються, та погрішності інтервалу часу як різниця отримання стану зовнішньої компоненти та видачі керуючих сигналів (y(t)) .

Розмір затримки часу(t >(t+?t)=t`) залежить від параметрів обчислювальної середи. Основними параметрами є обчислювальна потужність процесора, можливості засобів організації інтерфейсу з користувачем. Базою побудови обчислювача можуть бути аналогові або цифрові пристрої.

Аналогові обчислювальні елементи будуються на основі математичної аналогії процесів, що виконуються в радіоелектронних ланцюгах та параметрах зовнішніх компонент. Процеси в аналогових обчислювачах виконуються у темпі реального часу, тобто відсутні затримки в сприйнятті стану зовнішніх компонент та отриманні рішення.

Аналогові обчислювачі за своєю структурою та можливостями є обчислювачами реального часу.

Основним недоліком аналогових обчислювальних машин є важкість підстроювання моделі під властивості та поведінку аналітичного опису функції, що має бути реалізована(f(t)). Труднощі пов`язані з необхідністю отримання параметрів радіоелементів з дуже великою точністю. Саме тому аналогові обчислювачі використовуються лише в тих випадках, коли достовірність задач, які задають мінімальне ?t, є більш актуальною, ніж вартість аналогових компонентів, що використовуються.

При використанні цифрових обчислювачів затримка за часом (?t) від моменту запиту станів до отримання рішення (y(t)) завжди складає деяку кінцеву величину, яка залежить від параметрів швидкодії обчислювальної техніки та схемотехніки пристроїв з'єднання з зовнішніми компонентами (ЗК). Тому найчастіше саме цифрові обчислювачі використовуються як СРЧ.

Обчислювальна система (ОС) є системою реального часу(СРЧ) тільки тоді, коли вона забезпечує рішення єдиної задачі сумісно з ЗК з похибкою, яка є менше, ніж задана величина. При цьому всі процеси у ЗК є функціями незалежної змінної часу.

Іншою особливістю СРЧ є організація призначеного для користувача інтерфейсу.

У СРЧ обчислювач оцінює стан процесів у ЗК на базі двох векторів - вектору спостереження обчислювача() та вектор спостереження зовнішньої компоненти ().

Командний інтерфейс користувача в СРЧ також включає до себе дві компоненти - вектор керування процесами в моделі обчислювача() та вектор безпосереднього керування параметрами ЗК().

Таким чином при проектуванні та реалізації інтерфейсу користувача в апаратно-програмній середі обчислювача необхідно забезпечувати комфортне сприйняття користувачем двох векторів спостереження та коректну реалізацію обчислювача на команди користувача.

У СРЧ усі процеси та компоненти, які не включаються до обчислювальної середи системи є зовнішніми по відношенню до обчислювача. СРЧ розв`язує єдину задачу, до якої входять процеси в обчислювачі та процеси в усіх ЗК, які інформаційно зв`язані в обчислювачем. Основною особливістю ЗК є виконання процесів та зміна всіх параметрів у функції незалежної змінної часу.

Основними характеристиками змінної часу в ЗК є:

незалежність темпу зміни даної змінної від зовнішніх процесів;

безперервність зміни змінної часу;

Незалежність змінної часу для обчислювальної системи означає неможливість керування темпом зміни даної змінної.

Безперервність змінної часу зумовлює наявність безкінечної множини значень будь-якого з параметрів функції часу на будь-якому інтервалі.

Як було сказано раніше, найчастіше у якості СРЧ використовуються цифрові обчислювачі. Основною характеристикою цифрової системи незалежно від кількості процесорів є наявність мінімального інтервалу часу, менше якого система не розрізняє. Мінімальне значення інтервалу може бути часом виконання однієї операції або часом виконання одного кроку алгоритму. Отже зміна будь-якої змінної в цифровій середі не є безперервно, а являє собою деяку множину дискретних конкретних значень.

Змінна часу, як і будь-який параметр у цифровій середі, не є безперервною. Темп зміни змінної часу в обчислювачі може алгоритмічно назначатися та змінюватися. Значення темпу визначається програмістами, які реалізують алгоритми та на фізичному рівні - характеристиками обчислювача та інформаційних каналів.

Безперервна змінна часу в цифровій середі може бути представлена лише у вигляді множини дискретних значень. Довжина інтервалів між сусідніми значеннями можуть формуватись за допомогою синхронного або асинхронного засобу. При синхронному засобі довжина всіх інтервалів однакова. При асинхронному - довжина кожного інтервалу задається алгоритмічно.

Для забезпечення рішення єдиної задачі необхідно виконати дискретизацію змінної часу. Значення дискретизації змінної часу (?t) визначає точність апроксимації (відображення) безперервної функції f(t) у її цифрове відображення f`(t`). Також це значення визначає точність представлення безперервної змінної часу у вигляді множини дискретних значень у цифровому процесорі.

У СРЧ лічба змінної часу відбувається у відносних одиницях - внутрішньому представлені часу. Одиницею внутрішнього ліку часу є значення періоду дискретизації. При необхідності обчислення абсолютного значення деяких інтервалів часу в якості множника перетворення використовують вагу одиниці внутрішнього часу (?t) ( ?tотн(внутр)=>(tотн*?t))абс.

Значення інтервалу дискретизації є основною характеристикою системи реального часу. Це значення для системи реального часу повністю визначається характеристиками процесів ЗК та допустимою похибкою рішення єдиної задачі у цифровому процесорі обчислювача.

При проектуванні СРЧ необхідно враховувати відмінності та основні характеристики кожної з компонент системи для отримання достовірних результатів на всьому інтервалі рішення єдиного завдання.

Отож основним особливостями СРЧ є:

Багато компонент.

Обмеження на інтервал часу для отримання рішення в обчислювальному середовищі системи.

Організація інтерфейсу користувача в темпі реального часу.

Особливості інформаційних каналів у складі системи РЧ

У КС РЧ використовуються два типи інформаційних потоків:

А) між зовнішніми компонентами та обчислювальною системою;

Б) між обчислювальною системою та користувачем.

Функції перетворення та узгодження інформації на інтерфейсі обчислювача з зовнішніми компонентами системи реалізують інформаційні канали (ІК). Вони реалізуються апаратно з пристроєм керування у вигляді автомату з жорсткою або програмованою логікою.

Інформаційні канали(ІК) призначені для забезпечення інформаційної взаємодії мікропроцесора з термінальними елементами ЗК. Основною функцією ІК є перетворення(конвертування) інформації для узгодження зовнішнього інтерфейсу з внутрішнім інтерфейсом системи.

Основні види класифікації інформаційних каналів:

класифікація за напрямком перетворення інформації;

класифікація за типом сигналів у інтерфейсі зовнішньої компоненти.

За напрямком перетворення інформації поділяються на:

канали, що працюють на введення;

канали, що працюють на виведення.

Основні види інформаційних каналів за типом сигналів:

аналогові;

число імпульсні;

дискретні;

ініціативні.

Термінальними елементами інтерфейсу сполучення з обчислювачем з боку зовнішніх компонент є пристрої, що забезпечують перетворення фізичних значень інформаційних змінних у відповідні параметри електричних сигналів у фізичних лініях зв'язку - датчики та виконавчі механізми. Таким чином ІК виконують узгодження параметрів сигналів від термінальних пристроїв зовнішньої компоненти з урахуванням параметрів фізичних ліній зв'язку з параметрами внутрішнього інтерфейсу обчислювача, за допомогою якого ІК сполучаються з цифровими процесами обчислювача.

Інформаційні канали введення отримують інформацію від датчиків, перетворюють у цифрову форму і передають до обчислювальної системи для подальшого опрацювання. Інформаційні канали виведення отримують цифрову інформацію від обчислювальної системи, перетворюють у відповідну форму згідно з типом сигналів зовнішньої компоненти та передають виконавчому механізму.

Засоби ІК проектуються на основі врахування особливостей сполучених інтерфейсів (зовнішньої компоненти й обчислювача) і додаткових обмежень або сукупності параметрів з боку ліній зв'язку та навколишнього середовища (як розміщення зовнішніх компонент, так і ліній зв'язку).

Функція узгодження зовнішнього та внутрішнього інтерфейсів передбачає реалізацію деякої кількості функцій, що забезпечують узгодження за різними параметрами. Основні параметри, що характеризують кожен інтерфейс є:

фізичний спосіб представлення інформації на лініях інтерфейсу;

розмір шини даних інтерфейсу;

вид інформації на лініях інтерфейсу;

синхронізація протоколів взаємодії;

параметри безпеки обміну з інтерфейсом (з урахуванням особливостей зовнішньої середи та інше).

За фактором узгодження фізичного представлення інформації ІК повинен реалізовувати функцію перетворення множини параметрів електричної лінії (зі сторони ЗК) в єдиний спосіб представлення інформації на внутрішньому інтерфейсі.

За параметром розміру шини даних ІК повинен забезпечувати узгодження стандартної розрядності внутрішнього інтерфейсу з апріорно невизначеним розміром шини на інтерфейсі з об`єктом.

За фактором виду представлення інформації на інтерфейсі у великій кількості випадків необхідно узгодження різних видів представлення зовнішнього інтерфейсу(дискретний, аналоговий або імпульсний) в єдиний вид інформації - внутрішній(цифровий, дискретний).

За фактором узгодження протоколів взаємодії інтерфейсу ІК повинен забезпечувати підтримку протоколу внутрішнього інтерфейсу с дискретизацією параметрів, безперервною інформацією, що надходить на лінії термінальних елементів. При реалізації синхронізації засоби ІК орієнтовані на використання сигналів керування та контроль тільки зі сторони внутрішнього інтерфейсу.

У складі засобів ІК повинні бути блоки, які реалізують фізичний та інформаційний захист у відповідності з особливостями термінальних елементів, зовнішньої середи та ліній зв`язку інтерфейсу. Найчастіше функція забезпечення безпеки реалізується як три окремі функції - інформаційна безпека, фізична безпека ЗК та фізична безпека керуючої мікропроцесорної системи.

Таким чином при проектуванні структури апаратних засобів ІК необхідно базуватися на виборі великої кількості елементів та взаємодій між ними, які повинні реалізовувати основну функцію ІК, тобто інформаційну взаємодію зовнішнього та внутрішнього інтерфейсів.

При виборі окремих елементів необхідно аналізувати всю множину характеристик обох інтерфейсів. Основними характеристиками, які потребують узгодження, є:

особливості зовнішньої середи ліній та термінальних елементів інтерфейсу;

забезпечення інформаційної достовірності;

узгодження засобу представлення інформації на лініях інтерфейсу;

нормалізація кількісних значень інформаційно-важливих параметрів;

узгодження розміру шини даних;

узгодження протоколу обміну інтерфейсів.

Виходячи з перерахованих вище умов, інформаційний канал можна представити у вигляді структури, в якій виділені елементи реалізують деяку сукупність функцій по забезпеченню узгодження окремих параметрів або вимог інтерфейсів. Залежно від конкретних вимог та параметрів інтерфейсу з конкретним складом зовнішніх компонент, структура ІК може не містити ряду елементів, оскільки реалізація певних функцій з узгодження інтерфейсів не потрібно. Основними структурними елементами ІК є:

Блок забезпечення вимог фізичної безпеки (гальванічна розв'язка і схеми обмеження струмів та напруг);

Блок забезпечення вимог інформаційної безпеки (фільтрація та придушення перешкод);

Блок параметричної нормалізації сигналів;

Блок перетворення форми подання інформації;

Блок узгодження ширини шини даних;

Блок синхронізації і управління обміном по цифровому інтерфейсу.

На рисунку 1.2 зображена узагальнена структура інформаційного каналу.

Блок узгодження з параметрами зовнішньої середи реалізує функцію фізичного захисту компонентів мікропроцесорної системи та зовнішньої середи системи віз взаємних шкідливих дій. Схемотехнічной базою для реалізації блока є різні елементи гальванічної розв`язки, тобто елементи, які виконують роль бар`єра по омічному ланцюгу між входом та виходом.

Блок фільтрації повинен забезпечувати великий рівень інформаційної достовірності. При його проектуванні необхідно виконати спеціальні дослідження частотних спектрів. Найчастіше, у якості блока використовують односторонні смугові фільтри.

Рисунок 1.2 - Узагальнена структура інформаційного каналу

Блок нормалізації параметрів призначений для забезпечення уніфікації рівнів представлення інформації, яка обробляється у всіх наступних блоках. Уніфікація дозволяє використовувати однакові схемотехнічні рішення для однотипних функціональних елементів.

Блок перетворення виду інформації забезпечує узгодження за видом інформації. В ІК вводу інформації різні представлення інформації від термінальних елементів (аналогові, модульні та ін.) перетворюються в цифрову форму.

Оскільки розмір шини даних вхідного інтерфейсу в системі, що проектується, визначається лише сукупністю термінальних об`єктів, то найчастіше розмір шини даних об`єкту не співпадає з реальним розміром шини даних МП. Основою реалізації узгодження розміру шини даних є використання різних мультиплексорів, комутаторів та інших елементів.

Блок керування інтерфейсом (блок узгодження протоколів) будується у відповідності з вимогами організації обміну по інтерфейсу з МП. Оскільки інтерфейс повинен обов`язково кретувати всі сигнали керуючого пристрою, то блок може бути побудований за асинхронною схемою з використанням елементів, що мають калібруючі властивості, та ліній затримок.

У залежності від особливостей системи та її реалізації структура допускає мінімізацію блоків. Єдиним обов`язковим блоком є блок керування інтерфейсом МП.

1.3 Аналіз вимог до організації інформаційної взаємодії в системі РЧ

Основними структурними особливостями системи інформаційної взаємодії є кількісні параметри по числу типів ІК та ліній зв'язку у складі кожного з них. Також необхідно виконати аналіз параметрів інформації, що передається по окремим лініям, та схемотехнічних особливостей побудови термінальних елементів з обох боків кожної з ліній.

Згідно з технічним завданням необхідно розробити два інформаційні канали за прикладом каналів прототипів НД(РТ) та КН(Р).

Канал КН(Р) отримує аналогову інформацію від двох датчиків через схему узгодження та передає її до обчислювальної системи. Канал НД(РТ) отримує дискретну інформацію від чотирьох датчиків через схему узгодження та передає її до обчислювальної системи.

На рисунку 1.3 наведено узагальнена структура апаратних засобів СРЧ.

Рисунок 1.3- Узагальнена структура апаратних засобів СРЧ

На рисунках 1.4 та 1.5 представлені функціональні схеми датчиків, що функціонують у системі.

Рисунок 1.4 - Функціональна схема термінальних елементів об'єкта - датчиків дискретних сигналів

Рисунок 1.5 - Функціональна схема термінальних елементів об'єкта - датчиків аналогових сигналів

Датчик дискретного сигналу видає напругу, що може перебувати у двох станах: логічного нуля та логічної одиниці. Стану логічного нуля відповідає струм у 2.5mA, стану логічної одиниці відповідає струм у 13mA.

Датчик аналогового сигналу відповідно до поточних параметрів процесу формує аналоговий сигнал напруги в діапазоні від -10В до -5В.

Згідно з характеристиками каналу прототипу НД(РТ), інформаційний канал розпізнає сигнал, що прийшов від датчика, як логічний нуль при силі струму від 0 мА до 1 мА або як логічну одиницю, якщо сила струму знаходиться у діапазоні від 4 мА до 6 мА. Варто також зазначити, що вхідна напруга для інформаційного каналу НД(РТ) дорівнює 2В, якщо на вході логічна одиниця. На рисунку 1.6 наведено структурну схему узгодження параметрів ІК НД(РТ) з параметрами датчиків.

Згідно з характеристиками каналу прототипу КН(Р), інформаційний канал отримує аналоговий сигнал напруги в діапазоні від -10В до 10В, де значення напруги (-10В) є низьким рівнем, а значення (10В) - високим рівнем. Датчик аналогового сигналу видає сигнал у діапазоні від -10В до -5В, де напруга у (-10мА) є низьким рівнем, а напруга у (-5В) - високим рівнем. Таким чином між датчиками та каналом необхідні схеми узгодження, що узгоджують рівні напруги та рівні струму. На рисунку 1.7 наведено структурну схему узгодження вхідних параметрів ІК з вихідними параметрами датчиків.

Рисунок 1.6 - Структурна схема узгодження НД(РТ) з параметрами термінальних елементів

Рисунок 1.7 - Структурна схема узгодження КН(Р) з параметрами термінальних елементів

2. Розробка апаратного забезпечення інформаційних каналів КЕОМ

2.1 Опис структури і взаємодії всіх апаратних складових КН(Р)

Комутатор призначений для нормалізації та гальванічного розділення сигналів напруги постійного струму з подальшим їх розподіленням та комутацією на три незалежних направлення (інтерфейс ІР), для подальшого перетворення інформації від датчиків у цифровий код за допомогою АЦП та вводу у резервуючи УВК з метою збільшення достовірності результатів обробки та підвищення надійності.

Вхідні характеристики комутатора:

- Границі зміни вхідних сигналів напруги постійного току від -10V до +10V;

- Кількість вхідних каналів - 3;

- Вихідний струм каналу комутатора дорівнює - не більше, ніж 10mA.

Вихідні характеристики комутатора:

- Межі зміни вихідних сигналів напруги постійного току від -10V до +10V;

- Опір навантаження каналу не менший ніж 1 Мом;

Метрологічні характеристики:

- Час становлення вихідного сигналу - не більше 1.8с при скачкоподібній зміні вхідного сигналу від 0 до 10V;

Характеристики електроживлення:

- Електроживлення комутатора здійснюється від стабілізованих джерел живлення постійного току з напругою +(5+\-0.25)V, +(24+\-0.24)V, мінус (24+\-0.24)V;

- Потужність, що використовується комутатором від джерела живлення постійного струму з напругою:

1. +5V - не більше 0.05 W;

2. +24V - не більше 1.44 W;

3. -24V - не більше 1.44 W;

Робота комутатора

Вхідний сигнал від датчику поступає на модулятор D4, після посилювач змінного току D10, навантажений на роздільний трансформатор Т4, посилювач D10 охоплений трансформаторною зворотнім зв'язком. Трансформатор Т4 заглушує перешкоду загального вигляду частотою 50 Гц, після схеми подвоєння напруги(конденсатор С41, С42 та С65, С66) та демодулятора D16, перетворюючий змінне напруження в постійне, котре після фільтрів одно ланкових Ф0-1 А1 та А2, здійснюючих заглушення перешкод нормально виду частот 50Гц, поступаючий на вихідний посилювач D19, потім вихідний сигнал поступає на безконтактні комутатори D28 та D31, здійснює комутацію його на вихід. За допомогою змінних резисторів R33- R38, виконується підлаштування кінця вихідного сигналу

Комутатор має структуру, що зображена на рисунку 2.1. На схемі використовуються наступні скорочення для позначення сигналів:

АДР - шина „ Адреса каналу ”;

ВБР - сигнал „ Вибірка ”;

ЗАП - сигнал „ Запуск АЦП ”;

АС-АО - аналоговий вихідний сигнал.

Комутатор складається з наступних структурних блоків:

М - модулятор

ПЗТ - підсилювач змінного току

ДМ - демодулятор

Ф - фільтри ФО-1

ВП - вихідний підсилювач

СЖ - схема живлення

ВУ - вузол управління

К - комутатор

Рисунок 2.1 - Структура апаратних засобів інформаційного каналу КН(Р) у складі СРЧ

Інформаційний канал КН(Р) працює за часовою діаграмою, що наведена на рисунку 2.2. На шину даних поступає адреса вхідної лінії. Отримавши сигнал ВБР від обчислювальної машини, канал вибирає адресу та комутує відповідний сигнал на вихідну шину АС - А0. Після цього канал встановлює сигнали ЗАП. Отримавши сигнал ЗАП обчислювальна машина запускає АЦП та через відповідну затримку знімає сигнал ВБР. Після зняття ВБР канал знімає сигнали ЗАП та звільняє вихідну шину.

Рисунок 2.2 - Часова діаграма роботи КН (Р)

Структурна схема інформаційного каналу включає в себе деякий склад елементів з числа узагальненої функціонально повної структурі ІК прототипу. Склад елементів повністю визначається сукупністю вимог до функцій, що реалізуються та особливостями узгодження з термінальними елементами зовнішніх компонент.

Таким чином в каналі, що проектується порівняно з каналом прототипом, структура буде мати спрощений вигляд (рисунок 2.3).

Рисунок 2.3 - Склад шин інтерфейсу сполучення каналу КН(Р) з обчислювачем УВК

2.2 Розробка схемотехніки та розрахунок параметрів схеми узгодження КН(Р)

Необхідно узгодити вихідні параметри датчиків та вхідні параметри КН(Р). Параметри наведено у таблиці 2.1, схема узгодження - рис. 2.4.

Таблиця 2.1 - Параметри для узгодження датчиків та КН(Р)

Рисунок 2.4 - Моделювання СУ каналу КН(Р)

Навантаження обирається таким, щоб виконувалася умова:

R2 = 3*R1;

V2 беремо рівним -10В.

k = 1+R2/R1;

V1 - хвилеве джерело напруги, на нього подаємо напругу діапазоном від -10 до -5, що відповідає нижньому та верхньому рівням.

Результат моделювання наведено на рисунку 2.5. Перший сигнал - значення вхідної напруги, що потрапляє від датчика. Другий сигнал - це напруга у кінцевій точці схеми, яка змінюється від -10 В до + 10 В.

Рисунок 2.5 - Результат моделювання схеми узгодження КН(Р)

2.3 Опис структури і взаємодії всіх апаратних складових НД(РТ)

Нормалізатор дискретних сигналів призначений для прийому та введення у обчислювач двопозиційних сигналів від датчиків.

Параметри ліній каналів НД(РТ):

Номінальне значення вхідного сигналу дорівнює 5мА;

Діапазон вхідного сигналу від 0 до 1мА відповідає низькому рівню («0»), від 4 до 6 мА - високому рівню («1»)

Кількість вхідних сигналів - 3.

Вхідна напруга - 2В при номінальному значенні вхідного сигналу, що дорівнює (4..6мА).

Живиться нормалізатор від стабілізатора від джерела живлення постійного струму з навантаженням +5В.

Нормалізатор містить наступні вузли (рисунок 2.6):

ВН - вузeл нормалізаторів;

ВУ - вузeл управління;

ВКл - вихідні клапани.

Рисунок 2.6 - Структура апаратних засобів інформаційного каналу НД(РТ) у складі СРЧ

На схемі також знаходяться сигнали:

ВБР - сигнал „ Вибірка ”;

ЗД - сигнал „ Запит даних ”;

ПВБР - сигнал „ Підтвердження вибірки ”;

ПОП - сигнал „ Підтвердження операції ”;

Організація живлення побудована таким чином, що коротке замикання у елементах схеми виключає вплив несправності в інших напрямках.

Інформація від датчиків поступає на УН1-УН4, які виконують перетворення вхідних сигналів в уніфікованих сигнал, який сприймають мікросхеми каналу, та гальванічне розділення каналу від ланцюгів керування. При надходженні логічного „0” струм скрізь діод оптопари V5(рис. 2.7) тече малий та його недостатньо для відкриття транзистора оптопари V5, тому транзистор оптопари у відсічці. На виході УН присутній «0».

При надходженні логічної „1” на вхід УН, оптопари V5 відкривається та на виході УН з`являється „1”. Діод V6 призначений для прискорення оптопари V5. Діод V4 захищає вхід V5 від можливої зворотної напруги.

Рисунок 2.7 - Схема вузлу нормалізації каналу НД(РТ)

Часова діаграма роботи НД(РТ) представлена на рисунку 2.8. Формування сигналу ВБР підтверджується сигналом ПВБР. Після встановлення сигналу ПВБР формується сигнал ЗД та проводиться передача даних. Підтвердженням прийому даних у обчислювач є зняття сигналу ЗД, тоді нормалізатор знімає сигнал ПОП та дані.

Рисунок 2.8 - Часова діаграма роботи НД (РТ)

Склад шин інтерфейсу сполучення каналу НД(РТ) з обчислювачем УВК буде мати вигляд, що наведений на рисунку 2.9.

Рисунок 2.9 - Склад шин інтерфейсу сполучення каналу НД(РТ) з обчислювачем УВК

2.4 Розробка схемотехніки та розрахунок параметрів схеми узгодження НД(РТ)

Для заданого вузла нормалізації (рис. 2.7) та датчику(рис. 1.4) можна зробити висновок, що необхідно розробити схему узгодження, яка перетворювала б задану напругу у струм, який може сприймати канал, а точніше - частина вузла нормалізації (рис. 2.10).

Рисунок 2.10 - Контактна частина вузла нормалізації каналу НД(РТ)

У якості схеми узгодження СУІК2 виступає струмовий подільник, який перетворює струм з датчика (ВР-13мА, НР-2.5мА) до інформаційного каналу ІК1 (ВР-4..6мА, НР-0..1мА). Схема електрична ССІК2 зображена на рис. 2.11.

Рисунок 2.11 - Схема узгодження електричних параметрів для каналу НД(РТ)

За технічними характеристиками НД(РТ) при ВР повинна виконуватись умова UA=2В. Для виконання цієї умови необхідно щоб струм IН дорівнював 5mA (ВР для ІК2). За законом Кірхгофа: ІН = І0 - І1;

І1 = І0 - ІН = 13mA - 5mA = 8mA.

За законом Ома розрахуємо опір R1:

R1 = UA/I1 = 2В/8mA = 0.25K;

Перевіримо напругу холостої ходи у точці А при І0 = 2.5mA (НР з датчика):

UAхх = І0* R1 = 2.5mA*0.25K = 0.625В;

Напруга у 0.625В є недостатньою для відкриття діодів D1, D2 та D3, отже вони закриті та струм утікання на навантаження є мінімальним (ІН 0).

Перевіримо напругу холостої ходи у точці А при І1 = 13mA (НР з датчика):

UAхх = І1* R1 = 13mA*0.25K = 3.25В;

Напруга у 3.25В є достатньою для відкриття діодів D1, D2 та D3, отже вони відкриті та струм утікання на навантаження дорівнює 4.728mA.

Таким чином, розрахований параметр R1 = 0.25K відповідає як для випадку, коли на вході СУІК2 низький рівень, так і коли на вході високий рівень.

Моделювання підтверджує отримані розрахунки(рис. 2.12, рис. 2.13).

Рисунок 2.12 - Результат моделювання схеми узгодження НД(РТ).

На вході 2.5mA

Рисунок 2.13 - Результат моделювання схеми узгодження НД(РТ).

На вході 13mA

2.5 Узагальнена структура зв`язку каналів з обчислювачем

Обидва канали можуть керуватися та контролюватися за одним протоколом, який наведений на рис. 2.14.

Рисунок 2.14 - Узагальнена структура обміну обчислювача з інформаційними каналами

3. Розробка структури програмного забезпечення ТА структур даних

3.1 Узагальнена структура ПЗ КС РЧ

Структура ПЗ може бути визначена сукупністю функцій, що реалізуються.

Основні функції:

Керування викликом задач обробки в режимі РЧ;

Контроль параметрів системи РЧ в процесі функціонування задач опрацювання;

Реалізація зовнішніх операцій зміни параметрів і станів задач РЧ;

Синхронізація доступу до інформаційних баз даних РЧ;

Усі функції ПЗ ініціюються деякими подіями. При цьому окремі функції можуть складатись з декількох частин, кожна з яких ініціюється за різними подіями.

Основні події, що ініціюють функції ПЗ:

Переривання від таймеру.

Ініціатива від зовнішнього середовища.

В реальних КС РЧ системне ПЗ є складовою частиною ПЗ в цілому. До складу ПЗ КС РЧ належать також модулі, що опрацьовують задачі (щодо) та інтерфейс користувача.

На рисунку 3.1 наведено структуру ПЗ проектованої КС РЧ.

ПЗ проектованої КС РЧ складається з таких частин:

Системне ПЗ.

Оброблювачі задач.

ПЗ імітаційної моделі.

На відміну від реальних систем у проектованій системі передбачено керування процесом роботи системного ПЗ з інтерфейсу користувача для дослідження роботи. Тому ПЗ імітаційної моделі об'єднує інтерфейс користувача та функції керування системним ПЗ.

Рисунок 3.1 - Структура ПЗ імітаційної моделі

Аналізатор задач часу виконує розрахунок наступного часу виклику задачі, контролює час виконання задач та час затримки на виконання.

Аналізатор системних подій виконує формування лічильників викликів переривань, виконує змінення параметрів задач, які передбачено встановлювати за подією.

Оброблювач переривань системного таймеру виконує послідовне звертання до аналізаторів та за результатами їх роботи здійснює виклик оброблювачів задач.

Буфер системних подій заповнюється за подіями від зовнішніх компонент.

Задачі:

Оброблювач задачі 1.

Оброблювач задачі 2.

Оброблювач задачі 3.

Оброблювач задачі 4.

ПЗ імітаційної моделі:

Системний таймер виконує виклик оброблювача з періодом ?tсист.

Редагування параметрів - здійснює редагування таблиці параметрів задач.

Переривання від зовнішніх пристроїв - заповнює таблицю системних прапорів.

Візуалізатор виконання задач - формує на екрані графічне відображення процесу виконання задач.

Функції керування - керують процесами моделювання за ініціативою користувача.

3.2 Розрахунок кількісного значення основного критерію КС РЧ

Зовнішні компоненти у більшості випадків характеризуються представленням функціонально істотних процесів у вигляді сукупності фізичних процесів, що протікають у функції незалежної змінної часу. Окремими інформаційними складовими процесів у таких компонентах є значення параметрів різних фізичних процесів. Динамічні характеристики таких параметрів залежать в основному від фізичної характеристики кожної з зовнішніх компонент і структурних особливостей їх побудови. Зміни параметрів у сукупності компонент відбуваються на фізичному рівні й протікають у реальному часі, тобто в темпі протікання фізичних процесів, обумовлених в основному фізичними внутрішніми характеристиками й взаємодіями між процесами.

Таким чином окремі інформаційні складові зовнішніх компонент представляються у вигляді істотно відмінному від виду подання інформації в середовищі обчислювальної машини. Значення таких складових змінюється у функції незалежної змінної - реального часу.

Процеси в обчислювальній машині повинні протікати синхронно у часі зі змінами інформаційних складових у зовнішніх компонентах. Але усі процеси в обчислювальній машині проходять дискретно і тому необхідно представити безперервні функції у вигляді множини дискретних значень.

Головним кількісним параметром будь-якої СРЧ є значення мінімального інтервалу часу, на базі якого виконується лічення та перелік потоку часу в цифровій середі(?tсист). Даний параметр характеризує властивості апаратно-програмної середи обчислювання у складі СРЧ. Значення цього параметру дозволяє оцінити можливість використання даного обчислювача для рішення задачі реального часу у сукупності з конкретною ЗК з урахуванням динамічних процесів, які протікають у ЗК. Параметр ?tсист є основним параметром, що підлягає розрахунку, та у відповідності до якого виконується проектування апаратно-програмної середи обчислювача у відповідності до заданих характеристик ЗК. Цей параметр характеризує властивості обчислювача. Для забезпечення рішення єдиної задачі у сукупності з ЗК використовується інший параметр - довжина технологічного циклу. При рішенні єдиної задачі завжди можна виділити інтервали часу на кожному з яких повторюється вирішення визначеної технологічної задачі. На кожному з таких інтервалів система повинна мати властивість розрізнення значень часу виникнення подій у рамках поточного інтервалу. При розв`язувані єдиної задачі співвідношення подій з різних технологічних циклів функціонально несуттєво, тобто не потребується у процесі розв`язування задач. Оскільки події у різних технологічних циклах не потребують розрізнення у часі, то і внутрішній годинник системи може виконувати лічбу часу тільки у межах технологічного циклу.

Більшість функцій у ЗК є безперервні процеси, які залежать від змінної часу. У процесі розв`язання єдиної задачі значення цих функцій у цифровій середі СРЧ повинні представлятися у вигляді множини значень, сукупність яких відображає зміну даного параметру у часі. Перетворення безперервних функцій у цифровий формат (дискретизація) завжди зв`язано з втратою точності. Дискретизація як правило виконується з постійним шагом та фактично реалізується періодичним запитом від ЗК поточного стану та перетворенням її до цифрового вигляду, які відповідають значенням безперервної функції у час запиту, тобто з різницею у часі на інтервал періоду запиту або обміну інформацією між ЗК та обчислювачем СРЧ - ?tзап або ?tобм. Розмір погрішності дискретизації залежить від довжини періоду обміну та динамічних характеристик самої функції. Динамічні характеристики функції визначаються швидкістю зміни значень функції у часі . Оскільки змінна реального часу є незалежною, то допустимий розмір погрішності відображення зовнішніх функцій повинен забезпечуватись значенням ?tобм.

Точність реалізації інтервалу дискретизації за часом (?tобм) забезпечується дискретизацією змінної часу(?tсист) у системі з інтервалом, який щонайменше на порядок менший за ?tобм. Значення ?tсист є мінімальною одиницею часу, яку розрізняє СРЧ та визначає конкретні можливості системи до рішення конкретних задач РЧ.

Виконаємо розрахунок основного кількісного параметру СРЧ - ?tсист.

У якості функції ЗК визначимо функцію f(x)=cos(2*x).

Дана функція є неперервною. Період дорівнює - р

Знайдемо першу похідну функції f`:

Найбільше значення(1) функція f(x) приймає при х = р*n, найменше значення(-1) - при х = р*(0.5+n), де n - будь-яке ціле число.

Визначимо максимально допустиме значення абсолютної погрішності:

fАбсол = (1 * f) / 100;

Задамося максимально можливим значенням відносної погрішності -f = 5%.

Приймемо максимальне значення функції fmax=10000/(22+4) = 384

Таким чином отримуємо fАбсол = (fmax * f) / 100=(1*5)/100=0.05.

Визначимо значення tfmax = 0.

f'max = 2, при х = 0.75*р;

Розрахуємо час дикредитизації за формулою:

tдискрет = t = fАбсол / f'max = 0.05/2 = 0.025.

Отримане значення відповідає періоду обробки значення функції у цифровій середі з дискретизацією безперервної функції змінної часу з забезпеченням заданого значення похибки відображення конкретної безперервної функції:

tобраб = tдискрет = 0.025.

Результати розрахунку за допомогою спеціальної програми наведені у додатку Б, а текст самої програми наведений у додатку В . Результати розрахунку мають розходження з результатами програмного розрахунку, через те, що програма більш точно встановлює значення функції, тим самим забезпечується більша точність отриманих результатів.

Розробка інформаційної бази РЧ

На рисунку 3.2 наведено узагальнену структуру інформаційної БД РЧ.

Системна БД РЧ завжди розміщується у середовищі супервізора. Основні її складові:

?tсист період виклику супервізора;

тривалість технологічного процесу;

максимальна кількість задач в системі РЧ;

поточний системний час;

поточний стан системи

Рисунок 3.2 - Узагальнена структура інформаційної БД РЧ

Для розміщення задачної БД РЧ є три варіанти:

Розміщення задачної БД РЧ у середовищі супервізора.

Розміщення описувачів задач у середовищах відповідних задач, а у середовищі супервізора тільки таблиці посилань.

Аналогічно другому, але у середовищі супервізора розміщується посилання тільки на перший описувач, а до інших доступ здійснюється за ланцюгом.

Оскільки згідно до технічного завдання кількість задач у системі обмежена та невелика, в даному проекті обрано перший варіант розташування БД РЧ.

Виходячи з технічного завдання кожна задача задається рядом параметрів:

- Номер - номер задачі;

- Приор - пріоритет, не часовий параметр. Використовується при вирішуванні конфліктів виклику задач;

- Тнач - початковий час, коли задача може бути виконана;

- Ткон - кінцевий час, після якого задача вже ніколи не може бути виконана;

- Тпер - період. Визначає час, через який задача знову може бути виконана наступний раз;

- Тс - фактичний час роботи задачі. Використовується у моделі для симулювання зміни часу роботи задачі;

- Тд ож - час припусканої затримки, на протязі якого задача може очікувати свого виклику;

- Ткр - критичний, максимально допустимий час, що виділяється задачі для виконання її функцій;

- N - максимально припускана кількість пропусків викликів задачі на спряжених тактах, після чого задача знімається с моделювання;

- Состояние - Стан задачі(відображається під час моделювання).

- Траб - фактичний час роботи задачі. Лічильник відпрацьованого часу;

- Тож - фактичний час очікування запуску. Лічильник часу очікування;

- Тф - фактичний час запуску задачі на виконання;

З вищенаведеного можна зробити висновки, що структура модуля контроля складається з:

- статичних параметрів - Тп, Тз, Пр, Ткр, Тсеанс;

- динамічних параметрів - Тпл, Траб, Тож, Тф, Стан задачі;

4. Розробка алгоритмів системного програмного забезпечення

4.1 Призначення та функції системного ПЗ РЧ, структурування модулів супервізора РЧ у відповідності з функціями

В системі присутні чотири задачі. Усі вони є задачами за часом, та усі викликаються за часом.

Задачі мають бути запущені у час Тплан. Перше значення встановлюється рівним моменту часу, коли задача стала активною. Згідно з технічним завданням наступне значення Тплан розраховується від Тф - фактичного часу запуску задачі. Наступне значення Тплан' = Тф + Тп, де Тп - період виклику задачі.

Перед запуском задачі система перевіряє, чи є вона вільною. Якщо жодна інша задача не виконується на даний момент, то система запускає алгоритм виклику задачі. Спочатку система перевіряє, чи є задача, що очікує виклику. Якщо таких задач декілька, то обирається задача із більшим пріоритетом. При однакових пріоритетах обирається задача з меншим номером.

Якщо задача знайдена, то система вносить необхідні зміни до БД РЧ (стан системи, номер запущеної задачі, стан задачі, тощо) та створює новий поток для роботи функцій задачі.

Алгоритм виклику задач наведено на рисунку 4.2.

Рисунок 4.2 - Алгоритм виклику задач

4.3 Опис алгоритму супервізора з виконання функцій контролю параметрів РЧ

За переходи задач, які можуть бути виконані самим модулем. Тобто перехід з стану „виконується” до стану „очікування” при нормальному завершенні виконання задачі. Діаграма переходів станів модуля задач наведено на рис. 4.3.

Рисунок 4.3 - Діаграма стану модуля контролю

Переходи ініціалізуються головним модулем супервізора.

Задачі стають активними із заступленням їх планового часу, тобто часу початку. При наступленні планового часу асинхронно до БД супервізора заноситься відповідна подія. Із кожним викликом супервізора за таймером відбувається перевірка подій, і якщо вона встановлена, система зробить задачу активною.

Завершення 4-ї задачі задається чисельно, 1-ї задачі - за натисканням клавіші «1» клавіатурі, 3-ї задачі - за натисненням правої кнопки миші, 2-ї задачі - наприкінці заданого сеансу роботи 4-ї задачі.

Коли для часової задачі наступає час Тплан, система встановлює стан - очікування виклику. Далі система намагається запустити таку задачу на виконання. Але існує декілька причин (система зайнята, або необхідно запустити задачу з більшим пріоритетом), коли задача може залишитися у такому стані. Тоді супервізор перевіряє, щоб модельний час не був більшим за суму Тплан і Тзад. Якщо ці значення рівні, то поточний час встановлюється Тфакт, встановлюється подія перебільшення Тзад та розраховується наступний Тплан = Тмодел + Тп.

Будь-яку задачу, що виконується, необхідно контролювати, щоб вона не перебільшила максимально допустимий час роботи. Тому, коли супервізор запускає задачу на виконання, він запам'ятовує час початку роботи. У кожний наступний виклик супервізора за таймером спочатку перевіряється прапор завершення роботи. Якщо задача його встановила, то супервізор здійснює звичайне завершення. Якщо прапор не встановлено, то необхідно перевірити на максимально допустимий час роботи (Ткрит). Якщо Тмодел = Тпочатку + Ткрит, то необхідно зняти задачу з виконання. В іншому випадку задача продовжує свою роботу.

Керування задачею супервізор здійснює за допомогою сигналів, які вказують задачі, що робити далі.

Алгоритм обробки станів задач супервізором зображено на рисунку 4.4.

Рисунок 4.4 - Алгоритм обробки станів задач супервізором

5. Розробка на ПЕОМ імітаційної моделі процесів в об'єкті, як середовища комплексної перевірки пз у відповідності з технічним завданням

5.1 Призначення та функції імітаційної середовища РЧ

Найчастіше СРЧ встановлюються там, де важлива швидкість та точність розв`язання та реакції на зовнішні сигнали. Такими об`єктами зазвичай є об`єкти хімічної, шахтної, металургійної та інших галузей, тобто таких, де від швидкості, точності та коректності реакції залежить безпека виробничого циклу. Тому такі системи встановлюються у дублюючому варіанті. Один з варіантів - це дві паралельно працюючі СРЧ, одна з яких виконує контроль над реальним об`єктом, а інша - моделююча, яка моделює та передбачує розвиток подій та процесів. Моделююча система може працювати у синхронному(тобто звіряє поточні результати), або випереджальному режимі(тобто у такому, коли моделююча система передбачає розвиток на кілька кроків від поточного реального моменту).

Також СРЧ обладнуються системою керування як обчислювателем, так и ЗК. Для організації цього керування оператор повинен мати чітку картину о стані системи у поточний час, її попередні декілька станів та іноді можливі наступні стани.

Для організації обміну між оператором та СРЧ система обладнується інтерфейсом користувача.

Інтерфейс користувача повинен мати наступні властивості:

давати повну та корисну інформацію про стан системи;

бути зрозумілим для оператора;

надавати можливість зворотнього обміну із системою.

5.2 Розробка екранної структури інтерфейсу моделі КС РЧ

Форма заставки(рис. 5.1) відображує html-документ із технічним завданням.

Рисунок 5.1 - Загальний вигляд форми заставки

Форма заставки має дві кнопки:

- «Режим моделирования» - перехід до форми моделювання, форма заставки при цьому стає недоступною;

- «Выход» - завершення роботы ПЗ.

Форма моделювання, наведена на Форма рис 5.2, може бути розділена на 5 частин, кожна з котрих має своє призначення та функції:

регіон моделювання;

регіон керування моделюванням;

регіон контролю параметрів;

регіон умовних позначень;

регіон опису параметрів та приміток.

Рисунок 5.2 - Загальний вигляд форми моделювання

Регіон моделювання (рис. 5.3) призначений для контролю над моделюванням. У верхній його частині відображуються астрономічний та системний час. Центральну частину вікна займають панелі, на яких з часом відображуються поточні стани усіх задач та події. Остання з панелей призначена для відображення графіку заданої функції, поверх котрого із часом відображується аналоговий сигнал.

Рисунок 5.3 - Регіон моделювання

На рис. 5.4 наведений вигляд регіону керування моделюванням.

Кнопка „Старт” запускає процес моделювання з поточними параметрами(параметри у таблиці).

Кнопка „Пауза” призупиняє процес моделювання, при цьому стає можливою зміна параметрів.

Кнопка „Стоп” дозволяє будь-якої миті зупинити процес моделювання.

Кнопка „Информация о ТЗ” повертає користувача до форми із технічним завданням.

Кнопка „Восстановить данные” повертає задані за умовчанням параметри.

Кнопка „Выход” завершує роботу всего ПО.

Рисунок 5.4 - Регіон керування процесом моделювання

Регіон контролю параметрів(рис. 5.5) відображує параметри задач. Задаются номер задачі, пріоритет, начальний час(для кожної задачі-чисельно), кінцевий час(для 2 задачі задається номер задачі та номер її сеанса, по закінченню которого буде окінчена 2 задача; для 4 задачи кінцевий час задається чисельно), період, сеанс, час допустимого очікування, максимальна тривалість сеансу(Ткрит), N(кількість пропусків виклику задачі). Дозволяється редагування параметрів, можливе переміщення між комірками таблиці.