Рубин А.Б. Современные методы биофизических исследований (Практикум по биофизике)

Подождите немного. Документ загружается.

ПостаноВка

проблемы

Формулирование

цели

да

Литература

Вы5ор

модели

корректи-

ровка

цели

модели

Анализ

модели

следствия

нет

Рис.

138. Обобщенный

алгоритм

теоретической

стадии

биофизического ис-

следования

проникновения

в природу изучаемых объектов. Как правило, след-

ствием такого подхода является последовательное усложнение моде-

ли

и отдельных стадий исследования. На теоретической стадии это

приводит к необходимости применения более сложных математичес-

ких средств, что определяет широкое применение ЭВМ для автома-

тизации

работ при теоретическом анализе. Аналогично этому, ус-

ложнение

модели приводит к увеличению информационных пото-

ков

между

исследователем и объектом исследования в процессе про-

ведения эксперимента. Усложняются и этапы, связанные с опера-

тивным

отображением данных в виде, удобном для творческого вос-

приятия

и оценки получаемой информации. Все эти обстоятельст-

311

ва определяют принципиальную необходимость и непрерывно воз-

растающие потребности автоматизации научных исследований вооб-

ще и биофизических исследований в частности.

На

современном этапе развития методических, математических,

технических и программных средств научных исследований элект-

ронные

вычислительные машины

могут

эффективно использовать-

ся

на всех этапах от поиска литературы и анализа литературных

данных, формулирования цели и планирования исследования, до ин-

терпретации и документирования данных.

нет

План

натурного

эксперимента

Создание

автомати-

зированной

эксперимен-

тальной

системы

Управление

установкой,

съем

данных

Предварительный

математический

анализ

План

Вычислитель

ного

эксперимента

Алгоритм

Вычислитель

ного

эксперимента

Эксперимент

Интерпретация

данных

;

сопоставление

модель

№

Рис.

139. Обобщенный

алгоритм

экспериментальной

стадии

биофизического

исследования

312

Измерительные

регистрирующие

приборы

Датчики

информации

j I _L

УстройстЙа

управления

Устройства

задания

регулирования

параметров

• \

Объект

исследования

Биофизик

Рис.

140. Обобщенная

схема

установки для биофизического эксперимента

Рассмотрим более подробно этап, имеющий прямое отношение к

автоматизации биофизического эксперимента, который проводится

режиме реального времени (т. е. в режиме, когда управление

уста-

новкой,

съем данных, их предварительный анализ, интерпретация

получаемой информации, ее отображение, документирование и архи-

визация

проводятся в едином, неразрывном во времени цикле).

На

этапе натурного биофизического эксперимента основным

средством исследования служит

экспериментальная

установка

(рис.

140), в состав которой входят устройства и приборы для созда-

ния

определенных эксперимен-

тальных условий и воздействий

на

исследуемый объект: датчи-

ки

— устройства, обеспечиваю-

щие восприятие и извлечение

первичной информации об объек-

те; измерительные приборы,

обеспечивающие наблюдение за

проведением изучаемого процес-

са, измерение и регистрацию ин-

формации

об исследуемом объек-

те.

Определенные этапы управ-

ления

установкой, воздействия

на

объект, преобразования и ре-

гистрации информации

могут

быть автоматизированы с по-

мощью программных устройств

1И

•»

ЭВМ

периферийное

оборудование

Устройство

сопряжения

объектом

(УСО)

Эксперименталь

на

установка

с жестко заданной последова-

тельностью действий. Однако

для научных экспериментов

из-за последовательного услож-

нения

исследуемых моделей, по-

Объект

исследования

Рис.

141. Основные составляющие

программно-технической системы ав-

томатизации натурного биофизиче-

ского эксперимента

313

становки новых задач, зависимости алгоритма эксперимента от

получаемых в

ходе

анализа данных необходимо объединение отдель-

ных автоматизированных устройств экспериментальной установки в

единую программно-техническую систему, управляемую от ЭВМ.

Наряду с ЭВМ и экспериментальной установкой в состав системы

входит

устройство сопряжения с объектом (УСО), обеспечивающее

физическую и логическую связь ЭВМ и экспериментальной установ-

ки.

Основные составляющие программно-технической системы авто-

матизированного биофизического эксперимента приведены на

рис.

141. Конкретное программное и техническое наполнение авто-

матизированных комплексов для биофизических исследований рас-

смотрено в

следующем

разделе.

Типовая

система

автоматизации

биофизического

эксперимента

Независимо от конкретного типа экспериментальной установки,

структуры

и состава используемых технических средств автомати-

зации

процесс проведения эксперимента с помощью автоматизи-

рованной

системы включает следующие этапы: измерение парамет-

ров аналоговых сигналов (амплитуды, частоты, длительности) и вво-

да их в ЭВМ; ввод цифровых сигналов в ЭВМ; преобразование и вы-

вод управляющих цифровых сигналов из ЭВМ в аналоговом виде;

математический анализ полученной в эксперименте информации;

представление и отображение экспериментальных данных и резуль-

татов их обработки на ЭВМ в графическом виде на экране дисплея

графопостроителе; создание архива экспериментальных данных и

результатов

их обработки.

Характерной особенностью автоматизированного эксперимента

является

диалоговый

режим

общения

исследователя

системой,

который предусматривает периодическое повторение цикла, вклю-

чающего

выдачу

машине задания, получение ответа и его анализ.

Режим диалога наиболее эффективен при решении таких задач, про-

грамма которых в момент начала исследования не имеет однознач-

ного варианта. Исследователь следит за процессом, фиксирует те или

иные

промежуточные

результаты

и по

ходу

решения задачи выдает

ЭВМ инструкции, управляя ее работой. Наличие высокоразвитых

средств диалога является одним из требований к системам автома-

тизации.

Основными функциональными элементами системы атоматиза-

ции

являются ЭВМ и устройство сопряжения ЭВМ с объектом.

ЭВМ. На выбор ЭВМ для автоматизации эксперимента влияют

разнообразные факторы, например функциональные возможности,

низкая

стоимость, малые габариты, программная совместимость с

ЭВМ более высокого уровня, надежность в работе, возможность под-

ключения различных вариантов периферийных устройств.

314

Бурное развитие электроники

вычислительной техники привело

к то-

му,

что в

настоящее время

для

решения этих задач

на

первое место вышли

микроЭВМ,

заметно выигрывающие

отношении стоимости, доступности,

га-

баритных размеров. Среди выпускаемых отечественной промышленностью

микроЭВМ («Искра-1256», «Электроника

С5-12»,

«Электроника

ТЗ-16».

«Электроника

ДЗ-28»

и др.)

наиболее распространена «Электроника-60»,

ко-

торая наряду

общими достоинствами микромашины выгодно отличается

программной совместимостью

16-разрядными мини-ЭВМ типа СЗ-3,

СМ-4,

М-400,

также

наиболее распространенными

ЭВМ

зарубежного производ-

ства

(PDP-11,

LSI-11),

что

позволяет прямо использовать операционные

системы, разработанные

для

этих

ЭВМ,

обеспечивает преемственность

развитие программного обеспечения.

«Электроника-60» выделяется

из

всех

микроЭВМ наличием серийно

вы

пускаемых промышленностью устройств сопряжения

широким набором

периферийного

оборудования

—

электрифицированными пишущими

ма-

шинами

(ЭПМ)

CONSUL-260, перфораторами ПЛ-150, фотосчитывателями

FS-1501, накопителями

на

магнитных дисках ИЗОТ-1370, накопителями

на

гибких магнитных дисках «Электроника

ГМД-70»,

накопителями

на маг

нитной

ленте ИЗОТ-5003», накопителями

на

компакт-кассетах

РК.

растровы-

ми

печатающими устройствами DZM-180, алфавитно-цифровыми дисплеями

«Электроника-15ИЭ-00-013».

тому

же

для

этой

ЭВМ

выпускаются платы

по-

стоянной

перепрограммируемой

оперативной памяти,

что

обеспечивает

сво-

боду

компановки

гибкость

структур

этой

ЭВМ

позволяет расширять

объем оперативной памяти

до 56

Кбайт.

Процессор

«Электроники-60» выполнен

на

базе больших интеграль-

ных

схем

(БИС).

Система счисления двоичная: разрядность

— 16;

система

команд

—

безадресная, одноадресная, двухадресная: емкость оператив-

ного запоминающего устройства

(ОЗУ)

базовом варианте

—

4096

К)

16-

разрядных слов; время обращения

к ОЗУ — не

более

700 не;

длительность

цикла

работы ОЗУ

—

не более

2,4

мке; время выполнения двухадресной коман-

ды типа «Сложение»

при

регистровом методе адресации

— 4

мкс.

Приборный

интерфейс. К

средствам сопряжения предъявляются

требования независимости

от

типа

ЭВМ,

полной унификации

свя-

зей

между

отдельными системами, возможности программного

из-

менения

структуры, свободы

гибкости компоновок

перспектив-

ного расширения системы

применением устройств, разработанных

различными изготовителями аппаратуры.

Существуют

различные

варианта решения этой проблемы,

но

наиболее полно указанным тре-

бования

отвечает

стандарт КАМАК (Computer Application

to Mea-

surement

and

Control).

С 1980 г.

системе КАМАК

утверждена

в ка-

честве

Госстандарта

СССР.

Основными

особенностями системы КАМАК являются

модуль-

ный

принцип построения, конструктивная однородность системы,

обеспечивающая использование унифицированных конструкций,

магистральная

структура

связей

между

функциональными блока-

ми

применение принципов программного управления.

системе

КАМАК нормализованы требования

на

конструкцию

размеры,

электрические сигналы

логику. Система

целом

отдельные

при-

боры выполняются

виде модулей, организованных

по

функцио-

нальному принципу. Отдельный блок (крейт) системы имеет

раз-

меры

262 х 486 х 573 мм. В

крейте содержится

позиций

унифици-

рованными

контактными разъемами

для

размещения

станций

315

(модулей). Две крайние правые позиции предназначены для разме-

щения

модуля, управляющего работой всего крейта (крейт-конт-

роллер)

и обеспечивающего

«адаптацию»

оборудования КАМАК

используемой ЭВМ. Остальные позиции предназначены для разме-

щения

штатных рабочих модулей. В задней части крейта в виде

отдельного блока устанавливается источник питания. Крейты мо-

гут собираться в стойки при помощи соединительных колонок.

Габаритные размеры модуля одиночной ширины (1М) 200 - 293 X

>' 17,2 мм. Допускается использование модулей шириной от 1 до

8 М. Конструкция модуля предусматривает монтаж в нем электрон-

ного оборудования на двусторонних печатных платах.

24 разъема крейта соединяются стандартным образом в так назы-

ваемую

магистраль

крейта.

Большинство соединений являются

сквозными

шинами, соединяющими соответствующие контакты разъ-

емов у всех нормальных позиций модулей и части контактов крент-

контроллера. Имеются также индивидуальные шины, каждая из

которых соединяет один из контактов разъема нормального модуля с

одним

контактом крейт-контроллера.

КАМАК - одноадресная система с непосредственной комбини-

рованной

адресацией данных. Форма адресуемой команды имеет

вид N (i), А (/), F (k), где N (Г) - номер модуля, к которому адре-

суется команда; 1 < i < 23; А (/) — субадрес внутри модуля;

0 < / < 15; F (k) — функция, которую требуется выполнить,

О < k < 31.

Наряду с шинами, по которым передаются адресуемые команды,

имеются шины, по которым передаются информация о состоянии

объекта и сигналы общего управления.

Стандарт КАМАК отражает один из этапов в развитии средств

связи

ЭВМ с экспериментальной установкой, соответствующий как

определенному уровню развития работ по автоматизации научных

исследований,

так и технологии производства радиоэлектронных

компонентов.

Значительно расширившийся в последние годы

спектр применений средств автоматизации как в сторону систем со

съемом и обработкой больших массивов информации, так и в сторо-

ну создания сравнительно небольших, но многочисленных вариантов

систем обусловил дальнейшее развитие средств сопряжения. Од-

ним

из путей в этом направлении является эволюционное развитие

стандарта КАМАК (стандарт СОМРЕХ), другим — создание нового

стандарта EUROBUS (связанное с заменой как логики, так и

меха-

ники

крейта). В третьем, наиболее радикальном, варианте FASTBUS

предусматриваются полная смена всех компонентов; переход к

сверхбыстродействующей магистрали; к логике, рассчитанной на

мультипроцессорную, многокрейтовую обработку данных; к конст-

руктивам, значительно увеличивающим размер печатных плат.

Технические

средства

типового

комплекса

Типовой комплекс автоматизации строится на базе микроЭВМ

«Электроника-60» и однокрейтовой системы сопряжения с экспери-

ментальной установкой (параллельная односекционная система с

двумя общими магистральными каналами). Наличие

двух

общих ма-

гистральных каналов в системе, магистрали ЭВМ и крейта КАМАК—

наиболее доступный в конкретных условиях способ связи с пери-

ферийными

устройствами (по каналу ЭВМ или каналу КАМАК),

а также с ЭВМ более высокой производительности. Структурная

схема типового комплекса приведена на рис. 142.

Резидентная

оперативная

память

процессора

объемом

Кбайт

расшире-

на

дополнительными

платами

оперативной

памяти

до 56

Кбайт.

Для

оператив-

ного

диалога

исследователя

комплексом

служит

алфавитно-цифровой

ди-

Проиессор

минроЭВМ

Оперативная

память

56К5

Последователь -

ньш

интер/рейс

ЭВМ

2уров-

ня иерархии

Накопитель на

гибки/,

магнитных

дисках,

Графический

дисплей

Шина

ЭВМ

Графопостроитель,

печатающее ус-

тройство

Модуль

управления

ампер-

вольтомметром

ль управления ам

вольтомметром

I |

Алфавитно-

цифровой

дисплей

Рис.

142.

Структурная

схема

технических

средств

типовой

системы

автома-

тизации

АЦП, ЦАП

-{Входной

и выходной

регистры

Релейный

мультиплексор \

Регистр

прерываний

Генератор слова

Синхронизатор -

таймер

-j

Генератор

тактовых

импульсов

ЦАП 1

Регистр

управления реле I

Модуль

управления шаговым I

двигателем \

Индикатор .магистрали I

317

сплей.

Для

отображения графической информации

удобном

для

восприятия

графическом виде может использоваться стандартный цветной телевизион-

ный

приемник, подключенный

магистрали

ЭВМ

через специальную интер-

фейсную плату

позволяющий представлять графики

четырех цветах

на

по-

ле экрана, равном

256X256

точек.

Для вывода

на

бумажный носитель протокола эксперимента, экспери-

ментальных данных

графическом

цифровом виде,

также параметров,

по-

лученных

ходе

математического анализа,

комплексе содержится устрой-

ство печати.

качестве системного устройства

комплекс

входит

накопитель

на

гибких магнитных дисках.

Два

дисковода накопителя

дают

возможность

ис-

пользовать одну дискетту

для

размещения операционной системы,

другую—

для организации архива данных (информационная емкость одной дискетты

составляет

256

Кбайт). Включение

состав комплекса накопителя

на

гибких

дисках

практической точки зрения имеет принципиальное значение,

так

как

обеспечивает возможность управления экспериментом

математического

анализа полученных данных

автономном режиме.

В то

же

время

для

програм-

мной

аппаратной поддержки комплексов нижнего уровня имеется канал

связи

магистрали «Электроника-60»

ЭВМ СМ-4.

Крейт

КАМАК содержит необходимый набор модулей, реализующих

ос-

новные

функции

по

измерению сигналов, управлению установкой

контро-

лю работы, аналогово-цифровые

цифро-аналоговые преобразователи, гене-

раторы, счетчики, входные

выходные регистры, усилители

программно-

регулируемым коэффициентом усиления, индикаторы магистрали, релейные

мультиплексоры

т. д.

Наличие широкого набора серийно выпускаемых

мо-

дулей

позволяет также включать

систему графические дисплеи, графопо-

строители, печатающие устройства

по

каналу КАМАК,

что

предпочтитель-

нее

практической точки зрения.

Программные средства типового комплекса

Программное

обеспечение

(ПО)

автоматизированных комплексов

предназначено

для

управления

их

работой

режиме измерений,

ма-

тематической обработки

архивизации результатов измерений,

также проверки работоспособности основных узлов.

числу важных условий, которым должно отвечать специализи-

рованное

программное обеспечение типовых комплексов автомати-

зации,

следует

отнести следующие.

1. Максимальная быстрота реакции

ЭВМ на

изменение условий

эксперимента,

обеспечивающая выработку управляющих воздейст-

вий

на

установку

или

исследуемый образец непосредственно

в про-

цессе измерений

и в

зависимости

от

получаемых результатов.

2. Проведение биофизических исследований

на

комплексе долж-

но

быть доступно пользователю,

не

знающему языков программиро-

вания,

детальной структуры программного обеспечения

физи-

ческой

реализации

конкретной ЭВМ.

3. Функционально законченные режимы работы комплекса

(запись

спектра, кинетики, определение параметров спектра,

пре-

образование

вывод информации

на

устройства отображения

и т.д.)

должны быть представлены

виде завершенных программных

мо-

дульных структур, вызываемых

действию простым нажатием

оп-

ределенных клавиш

на

пульте

оператора.

318

Программное

обеспечение

типового

комплекса

автоматизации

Операционная

система

РАФОС

Упрабляющая

программа

ДИСПЕТЧЕР

Программы

управления

экспериментом

сбора

данных.

Программы

предварительной

математической

оорадотки

Система

тестирования

САТУ-М

Программы

интерпретации

результатов

эксперимента

Вспомогатель

ные

программы

Рис.

143.

Общая схема программных средств типового комплекса автома-

тизации

4. Запись экспериментальных данных при проведении экспери-

мента по любой методике, как и выполнение любой процедуры мате-

матической обработки, должна завершаться представлением

экспе-

риментальных данных в привычном исследователю графическом

виде.

5. Создание обстановки активного участия исследователя в про-

цессе проведения эксперимента с сохранением естественной формы

взаимного общения с комплексом в виде

«разговора».

При этом спе-

циализированная

прикладная система должна «подсказывать», что

нужно сделать пользователю в зависимости от принятого им реше-

ния.

ПО

состоит из операционной системы общего назначения, спе-

циализированной

прикладной системы и системы тестирования

КАМАК-оборудования. Общая

структура

ПО типового комплекса

представлена на рис. 143.

В качестве системного

ПО

типового комплекса

из

всего множества

сис-

темного

ПО,

разработанного

для

микроЭВМ «Электроника-60»

и ЭВМ

серии

СМ,

целесообразно использовать операционную систему

(ОС)

реального

вре-

мени

РАФОС, предоставляющую пользователю наибольшие возможности

удобства

при

разработке

эксплуатации прикладных программ обслужива-

ния

экспериментов

математической обработки данных

обеспечивающую

необходимый режим функционирования прикладной системы. Программная

аппаратная совместимость микроЭВМ «Электроника-60»

и ЭВМ

серии

СМ

(СМ-3,

СМ-4)

позволяет взять

качестве базовой

ОС

комплекса версию

РАФОС,

использующую

качестве внешней памяти гибкие магнитные диски,

319

Управляющая

Систем

ные

программы

система (монитор 1 1

ОС

РАФОС

)

Системы

прог рам-

мирования

-| .-сг;

Дополни-

тельные

компонен-

ты \*

Рис.

144. Структурно-функциональная

операционной системы РАФОС

схема

ОС

РАФОС имеет сле-

дующую

структуру:

уп-

равляющая система, си-

стемные программы, си-

стемы программирова-

ния,

дополнительные

компоненты

(рис. 144).

Ядром управляющей

системы РАФОС являет-

ся

монитор

— програм-

мная

часть, контроли-

рующая управление си-

стемой. Его резидент-

ный

компонент (в зави-

симости от класса монитора) занимает оперативную память от 2 до

7 Кслов (одно машинное слово составляет 16 двоичных разрядов).

Монитор обеспечивает

работу

с таймером (часами), организацию

ввода/вывода, ведение системы файлов на внешних запоминающих

устройствах,

диалог с оператором, диагностику ошибок.

ОС

РАФОС имеет три класса мониторов: однозадачный монитор

(SJ),

фоново-оперативный монитор (FB), монитор управления рас-

ширенной

памятью (ХМ).

Однозадачный

монитор

функционирует при минимальной кон-

фигурации технических средств, занимая 2Кслов оперативной па-

мяти,

и обеспечивает

работу

системы с оперативной памятью от 8 до

28К.слов. Он

обладает

наибольшим быстродействием, поэтому целе-

сообразно его использовать для решения задач,

требующих

боль-

шой

скорости передачи данных. SJ-монитор программно-совместим

снизу

вверх

с FB- и ХМ-мониторами.

Фоново-оперативный

монитор

занимает 4К.слов оперативной па-

мяти ЭВМ и обеспечивает

работу

системы на конфигурации от 12 до

28 Кслов оперативной памяти. Он предназначен для одновремен-

ного выполнения

двух

задач: фоновой и оперативной. Обе задачи мо-

гут быть программами реального времени.

ХМ-монитор

— это расширение FB-монитора, которое позволя-

ет использовать оперативную память свыше 28 Кслов в оператив-

ной

и (или) фоновой задаче. ХМ-монитор предполагает наличие ап-

паратного диспетчера памяти и обеспечивает

18-битную

адресацию

для операции ввода/вывода и набора макрокоманд, позволяющих фо-

новой

и (или) оперативной задачам адресовать память до 124 Кслов.

ХМ-монитор занимает 7 Кслов оперативной памяти и обеспечива-

ет

работу

с системой, имеющей от 32 до 124 Кслов памяти, что

дает

возможность писать программы на языках высокого уровня, на-

пример ФОРТРАН-IV, использующих большие массивы данных

(общим размером до 96 Кслов).

Системные программы, входящие в состав ОС РАФОС, позволя-

ют выполнять разнообразные функции по обслуживанию системы:

320