Шивринский В.Н. (под редак.) Проектирование приборов, систем и измерительно-вычислительных комплексов

Подождите немного. Документ загружается.

Модули интерфейса ввода, ЭВМ и интерфейса вывода содержат ЭВМ и ее

компоненты, а также интерфейсные компоненты, необходимые для связи ЭВМ

с другими модулями системы. Модуль комбинированной аппаратуры содержит

компоненты, необходимые для реализации остальных функций системы.

Рис. 2.3. Общая модульная структура ИИС

Основные структуры измерительных информационных систем

Можно выделить конструктивные, энергетические и информационные

структуры. Первичной является структура информационных связей, которая

содержит сведения о том, каким образом происходит обмен информацией.

Распространенным способом представления структур информационного

взаимодействия является структура информационных связей. Получили рас-

пространение каскадные (цепочные, кольцевые), радиальные и магистральные

структуры (рис. 2.4), а также их комбинации.

Рис. 2.4. Типовые структуры ИИС: а) каскадные, б) радиальные,

в) магистральные; ЦВМ – центральная вычислительная машина

(устройство управления); 1, 2, 3 – компоненты ИИС

Каскадные структуры используются в системах с децентрализованным

управлением. Сигнал состояния предшествующего модуля является управляю-

щим для последующего. Это простые структуры, с их помощью достигаются

наилучшие временные характеристики.

В радиальных структурах ЦВМ определяет режимы работы модулей, кон-

фигурацию и параметры измерительного тракта, производит обработку измери-

тельной информации. Структуры имеют ограничения по наращиванию числа

модулей, определяемые возможностями ЦВМ.

В магистральных структурах каждый сигнал передается по общей для всех

модулей шине – магистрали. Адресная информация показывает, к какому блоку

относятся передаваемые данные. Структуры позволяют наращивать число бло-

ков в системе.

Глава 3. Основные этапы проектирования приборов и ИИС

Существуют следующие основные стадии разработки проекта: техническое

задание (ТЗ), техническое предложение, эскизный проект, технический проект,

рабочая документация.

Техническое задание

Техническое задание (ТЗ) должно содержать следующие основные сведе-

ния, характеризующие проектируемую измерительную информационную сис-

тему: основное назначение, технические характеристики, показатели качества,

технико-экономические требования, стадии разработки, принятые в данном

проекте, и их состав, включая программное, методическое и метрологическое

обеспечение, а также специальные требования к системе.

К основным техническим характеристикам ИИС относятся метрологиче-

ские (динамический и частотный диапазоны, погрешность, быстродействие,

чувствительность, порог чувствительности), а также общетехнические (надеж-

ность, сложность, габариты, масса и т. д.). В ТЗ должны быть приведены крите-

рии оценки (показатели качества) этих характеристик.

Техническое предложение

Следующей основной стадией проектирования является разработка техни-

ческого предложения на проектируемую ИИС. При разработке технического

предложения предусматривается выполнение следующих этапов:

1. Подбор патентных материалов, определение патентоспособности проек-

тируемой ИИС, анализ материалов по существующим системам, наиболее

близким к проектируемой по назначению и характеристикам.

2. Предложение возможных вариантов реализации системы, удовлетво-

ряющих ТЗ, сравнительная оценка этих вариантов и обоснование выбора наи-

лучшего варианта. Варианты системы могут различаться по алгоритмам сбора и

обработки информации, техническим и программным средствам, видам исполь-

зуемого интерфейса, модуляции сигналов и т. п. Сравнительная оценка вариан-

тов должна выполняться с учетом критериев оценки показателей качества, оп-

ределенных в ТЗ.

3. Разработка и анализ структурной схемы и алгоритма работы.

4. Выбор функциональных блоков проектируемой системы. Для создания

ИИС целесообразно использовать готовые, выпускаемые промышленностью

функциональные блоки, объединяемые в систему с помощью стандартного ин-

терфейса. Однако при проектировании системы не всегда удается обеспечить ее

всеми необходимыми стандартными функциональными блоками и интерфейс-

ными устройствами. В этом случае в курсовом проекте могут разрабатываться

такие блоки.

5. Решение принципиальных вопросов метрологического, программного и

методического обеспечения проектируемой ИИС.

6. Рассмотрение и утверждение технического предложения. В результате

выполнения предложения должен быть обоснован целесообразный путь реали-

зации ТЗ.

Стадии разработки технического задания и технического предложения

можно отнести к системотехническому проектированию ИИС, особенностью

которого является рассмотрение системы в целом с привлечением соответст-

вующего математического аппарата. Эти стадии часто выполняются в виде на-

учно-исследовательской работы. Дальнейшие стадии проектирования выпол-

няются обычно в виде опытно-конструкторских работ (ОКР).

Эскизный проект

Стадия эскизного проектирования предусматривает создание документа-

ции, содержащей принципиальные конструктивные решения, которые дают

общее представление об устройстве и принципе работы изделия. В необходи-

мых случаях изготавливаются и испытываются макеты изделий. Эскизный про-

ект после согласования и утверждения служит основой для разработки техни-

ческого проекта или рабочей документации.

Технический проект

Стадия технического проектирования связана с созданием документации,

содержащей окончательные технические решения, дающие полное представле-

ние об устройстве разрабатываемой системы.

Рабочая документация

Завершающей является стадия создания рабочей документации на проекти-

руемую ИИС. Она включает в себя разработку конструкторской документации

на опытный образец системы, изготовление опытного образца, проведение го-

сударственных, межведомственных или других испытаний опытных образцов,

последующие корректировки рабочей документации, подготовку рабочей до-

кументации и изготовление установочной серии, массовый выпуск ИИС.

Проектирование конкретного изделия может содержать не все перечислен-

ные стадии. Определение состава стадий выполнения проекта делается при раз-

работке ТЗ. Необходимость в стадиях эскизного, технического или рабочего

проектирования следует оценивать при создании ИИС путем набора стандарт-

ных функциональных блоков, интерфейсных устройств, измерительно-

вычислительных комплексов. Такая разновидность проектирования получила

название компоновочного. При компоновочном проектировании могут не по-

требоваться стадии эскизного и технического проекта, и может также резко

упроститься стадия рабочего проекта.

Цикл проектирования системы

Измерительная информационная система состоит из набора компонентов,

выполняющих определенные функции по отношению к внешнему окружению.

Чтобы иметь возможность воспринимать информацию извне и передавать ее во

внешнее окружение, система должна быть связана с внешним окружением, т. е.

должна иметь входы и выходы (рис. 3.1). Система состоит из аппаратных ком-

понентов и программного обеспечения.

Рис 3.1. Общее представление системы

Первый шаг цикла проектирования включает определение набора требова-

ний пользователя и построение функциональной спецификации. Следующим

шагом является проектирование системы на основе функциональной специфи-

кации. Необходимо определить аппаратную и программную конфигурации, из

каких частей должна состоять система, и как эти части должны быть взаимо-

связаны. Проектирование аппаратной части может быть выполнено с использо-

ванием стандартной методологии проектирования аппаратуры.

Проектирование программного обеспечения лучше всего может быть вы-

полнено с использованием языка проектирования. Программное обеспечение

строится путем преобразования конструкций языка проектирования в язык про-

граммирования ЭВМ. Оно тестируется и одновременно с аппаратурой объеди-

няется в единое целое, после чего оцениваются эксплуатационные характери-

стики системы. Цикл проектирования системы показан на рис. 3.2. Две части

системы часто разрабатываются параллельно, что на рисунке выглядит в виде

отдельных ветвей.

Рис. 3.2. Цикл проектирования системы

Одним из основных средств снижения сложности программного обеспече-

ния до приемлемого уровня является использование методологии системного

проектирования. Кроме использования языка проектирования, системная мето-

дология включает использование методов нисходящего и модульного проекти-

рования.

Язык проектирования

Из наличия у системы входов и выходов можно сделать вывод о том, что

ЭВМ должна иметь возможность проверять значение каждого входа, а также

устанавливать каждый из выходов в определенное значение. На уровне языка

проектирования для операций проверки и установки используются простые

конструкции:

ПРОВЕРИТЬ ВХОД ... И ХРАНИТЬ ЕГО ЗНАЧЕНИЕ

УСТАНОВИТЬ ЗНАЧЕНИЕ ВЫХОД ... РАВНО ...

Необходимо также иметь возможность проверять условия, которым удов-

летворяют хранимые значения каждого из входов. С этой целью используется

условная конструкция:

ЕСЛИ УСЛОВИЕ ПРОВЕРКИ ЕСТЬ «ИСТИНА»

ТО ВЫПОЛНИТЬ ЧТО-ЛИБО

ИНАЧЕ ВЫПОЛНИТЬ ЧТО-ЛИБО ДРУГОЕ

Необходима такая операция, которая позволила бы выполнять другие опе-

рации языка проектирования бесконечное число раз. Для этой цели использует-

ся конструкция:

ВЫПОЛНЯТЬ НЕПРЕРЫВНО

....

КОНЕЦ

В этой конструкции набор операций, расположенный между ВЫПОЛНЯТЬ

НЕПРЕРЫВНО

КОНЕЦ

, должен повторяться без конца.

Конструкции цикла могут быть следующего вида:

ВЫПОЛНИТЬ

...

КОНЕЦ

ВЫПОЛНИТЬ ДЛЯ КАЖДОГО ... НАБОРА ПРЕДМЕТОВ

...

КОНЕЦ

ВЫПОЛНЯТЬ ПОКА УСЛОВИЕ ПРОВЕРКИ ЕСТЬ «ИСТИНА»

...

КОНЕЦ

Для выполнения операций присваивания применяются следующие конст-

рукции:

УСТАНОВИТЬ ... НА (В) ...

УСТАНОВИТЬ ...

СБРОСИТЬ ...

Для вызова процедур используется следующая конструкция:

ВЫЗОВ: ИМЯ ПРОЦЕДУРЫ (ВХОДНЫЕ ПАРАМЕТРЫ; ВЫХОДНЫЕ ПАРАМЕТРЫ)

Для составления процедур используется конструкция вида:

ПРОЦЕДУРА: ИМЯ ПРОЦЕДУРЫ (ВХОДНЫЕ ПАРАМЕТРЫ; ВЫХОДНЫЕ ПАРАМЕТРЫ)

НАЧАЛО ПРОЦЕДУРЫ

...

ВОЗВРАТ

КОНЕЦ ПРОЦЕДУРЫ

В заголовке между первой строкой процедуры и строкой

НАЧАЛО ПРОЦЕДУРЫ

помещается дополнительная документальная информация:

1) идентификационный номер процедуры;

2) имя проектировщика;

3) дата проектирования;

4) имена всех, кто вносил изменения в проект;

5) дата внесения изменений в проект;

6) краткие сведения о том, что делает процедура, если имени процедуры

недостаточно для этих целей;

7) имя модуля, которому принадлежит процедура;

8) имена всех процедур, которые вызывает данная процедура;

9) имена всех процедур, которые вызывают данную процедуру;

10) описание каждой структуры данных и параметров, которые обрабаты-

ваются данной процедурой;

11) пояснения о назначении каждого параметра в структуре данных, если

это не ясно из контекста.

Каждая подсистема, модуль, процедура, структура данных и параметр

имеют имя. Для того чтобы избежать путаницы с именами, полезно использо-

вать список имен, в который вносится любое имя сразу после того, как оно оп-

ределено. В этот список можно вносить и обозначение того, что представляет

собой каждое имя, тогда его можно использовать как словарь системы.

При составлении программ на языке проектирования рекомендуется ис-

пользовать смещение строк. Необходимо подчеркнуть, что язык проектирова-

ния является полностью однозначным без смещения строк.

Смещение строк обеспечивает читаемость, особенно когда несколько кон-

струкций являются вложенными. Ниже приводятся правила выполнения сме-

щения, иллюстрированные примерами:

1) все скобки, такие как

НАЧАЛО ПРОЦЕДУРЫ .. КОНЕЦ ПРОЦЕДУРЫ

ВЫПОЛНЯТЬ .. КОНЕЦ

, выравниваются;

ВЫЗОВ: СЧИТЫВАНИЕ ПЕРЕКЛЮЧАТЕЛЯ (;ПЕРЕКЛЮЧАТЕЛЬ)

ВЫПОЛНЯТЬ ПОКА ПЕРЕКЛЮЧАТЕЛЬ НЕ ВКЛЮЧЕН

ВЫЗОВ: СЧИТЫВАНИЕ ПЕРЕКЛЮЧАТЕЛЯ (;ПЕРЕКЛЮЧАТЕЛЬ)

КОНЕЦ

2) все основные операции, содержащиеся внутри пары скобок, смещают-

ся на одинаковые расстояния;

НАЧАЛО ПРОЦЕДУРЫ

ВЫЗОВ: ИНИЦИАЛИЗАЦИЯ АППАРАТУРЫ (;)

ВЫЗОВ: ВОССТАНОВЛЕНИЕ СИСТЕМЫ (;)

ВОЗВРАТ

КОНЕЦ ПРОЦЕДУРЫ

3) слова

ТО

ИНАЧЕ

условной конструкции располагаются на разных

строках и смещаются по отношению к слову

ЕСЛИ

на одинаковые расстояния;

если внутри части

ТО

или

ИНАЧЕ

условной конструкции появляется отдельная

операция, то она располагается на той же строке, что и слово

ТО

или

ИНАЧЕ

;

ЕСЛИ ВСЕ ЗАПИСИ КРОМЕ ПОСЛЕДНЕЙ ВЫБРАНЫ

ТО ВОЗВРАТ

ИНАЧЕ ВЫБИРАЕТСЯ СЛЕДУЮЩАЯ ЗАПИСЬ В ФАЙЛЕ

4) если внутри части

ТО

или

ИНАЧЕ

условной конструкции содержится

более одной операции, то эти операции следует заключить в скобки

ВЫПОЛНИТЬ ... КОНЕЦ

, причем слово

ВЫПОЛНИТЬ

располагается на той же стро-

ке, что и слово

ТО

или

ИНАЧЕ

ЕСЛИ ТАЙМЕР В СОСТОЯНИИ ПОКОЯ

ТО ВЫПОЛНИТЬ

ВЫЗОВ: ОСТАНОВКА ТАЙМЕРА (;)

УСТАНОВИТЬ ПРОДОЛЖЕНИЕ

ВОЗВРАТ

КОНЕЦ

Требования пользователей и функциональная спецификация

Требования пользователя определяют, что пользователь хочет от системы и

что она должна делать. Требования пользователя могут быть определены путем

изучения рынка сбыта на основе спроса покупателей.

Функциональная спецификация определяет, какие функции должны вы-

полняться для удовлетворения требований пользователя и обеспечения интер-

фейса между системой и окружением.

Так как система проектируется на основе информации, содержащейся как в

требованиях пользователя, так и в функциональной спецификации, важно, что-

бы функции, отображающие требуемое поведение системы, были описаны дос-

таточно подробно.

Выявление требований пользователя и разработку функциональной специ-

фикации рассмотрим на примере автоматизированной системы охранной сиг-

нализации, приведенном в работе [21].

Предположим, что необходимо разработать автоматизированную систему

охранной сигнализации. Попытаемся определить набор требований пользовате-

ля к этой системе.

Вопросы, которые задают в первый момент, должны быть связаны только с

тем, что должна делать система охранной сигнализации. В частности, необхо-

димо получить ответы на следующие вопросы:

1. Какие типы нарушений необходимо обнаруживать?

2. Какие действия требуются при обнаружении нарушителя?

3. Какие другие действия необходимо предусмотреть?

Из ответов на эти вопросы можно сделать вывод относительно того, что

будут собой представлять требования пользователя. Разрабатываемая система

должна выполнять следующие действия:

1) обнаруживать, когда открывается дверь или окно;

2) обнаруживать движение внутри охраняемой зоны;

3) иметь возможность предупредить нарушителя и вызвать помощь;

4) обеспечить возможность восстановления в случае забывчивости

оператора;

5) быть несложной в управлении;

6) минимизировать число ложных тревог.

Далее разрабатывается функциональная спецификация, которая должна да-

вать ответы на следующие вопросы: Какие средства необходимо предусмот-

реть для: 1) обнаружения несанкционированного открытия окна или двери?

2) обнаружения движения? 3) предупреждения нарушителя и вызова помощи?

4) восстановления системы в случае забывчивости оператора? 5) управления

системой? 6) предотвращения ложных тревог?

В рассматриваемой системе для обнаружения несанкционированного от-

крытия двери или окна должны использоваться контактные датчики.

Для обнаружения движения должен использоваться ультразвуковой датчик

движения.

С целью предупреждения ложной тревоги движение должно контролиро-

ваться в течение не менее пяти секунд, после чего считается, что обнаружен на-

рушитель.

Предупреждение оператора о том, что он обязан восстановить систему,

осуществляется с помощью визуального сигнала.

Если система не восстановлена в течение шестидесяти секунд, для преду-

преждения нарушителя и вызова помощи включается сигнал звуковой тревоги.

Для управления системой и ее восстановления должен использоваться кно-

почный переключатель.

Если распределить информацию по категориям

ВХОДЫ, ВЫХОДЫ, ФУНКЦИИ

можно изобразить функциональную спецификацию в виде, представленном на

рис. 3.3.

Рис. 3.3. Функциональная спецификация системы охранной сигнализации

Глава 4. Основы проектирования приборов

Основой для проектирования прибора является техническое задание (ТЗ),

составленное разработчиком информационной системы, в составе которой

должен работать проектируемый прибор. ТЗ составляется исходя из задач, вы-

полняемых системой. В ТЗ указывается назначение прибора, условия его экс-

плуатации, формулируются требования к его статическим и динамическим ха-

рактеристикам, к точности и надежности, оговариваются требования к конст-

рукции и внешнему оформлению прибора.

Перед проектированием прибора изучаются имеющиеся материалы по дан-

ной теме. Рассматривается техническая литература, посвященная физическим

принципам, которые могут быть положены в основу схемы данного прибора,

изучаются схемы и конструкции ранее разработанных приборов аналогичного

назначения, оцениваются их достоинства и недостатки и определяется степень

их соответствия техническим требованиям.

Далее разрабатывается схема прибора. Производится выбор метода получе-

ния первичной информации (выбор физического принципа и типа чувствитель-

ного элемента) и метода преобразования выходного сигнала чувствительного

элемента в выходной сигнал прибора. При этом определяются типы необходи-

мых преобразующих элементов, формируются структурная и принципиальная

схемы прибора.

Производится выбор и теоретическое обоснование параметров схемы и

конструкции прибора, для чего выполняются расчеты статических и динамиче-

ских характеристик, точности и надежности прибора. При этом должно быть

доказано, что характеристики прибора, его точность и надежность будут соот-

ветствовать требованиям ТЗ.

Если в какой-то части это условие не выполняется, то в ходе проектирова-

ния видоизменяют схему или отдельные ее элементы для получения желаемых

результатов. Окончательное суждение о соответствии параметров прибора тре-

бованиям ТЗ выносится по результатам всесторонних экспериментальных ис-

следований опытных образцов прибора.

При конструировании прибора разрабатывается общий вид конструкции и

производятся необходимые расчеты деталей и узлов. Производится деталиров-

ка и выполняется анализ размерных цепей, на основании которого определяют-

ся технологические допуски на точность изготовления деталей. Исходя из ус-

ловий работы прибора определяются требования к качеству обрабатываемых

поверхностей, к покрытиям и т. п.

После этого оформляется полный альбом чертежей, содержащий общие ви-

ды прибора и входящих в него сборочных единиц, электрические монтажные

схемы, спецификации и чертежи деталей. Затем составляются технические ус-

ловия (ТУ) на прибор и основные его узлы. После изготовления по чертежам

опытных образцов последние подвергаются всесторонним испытаниям с целью

определения соответствия их параметров требованиям ТУ и ТЗ.

Выбор чувствительного элемента

Первичная информация получается с помощью чувствительного элемента,

непосредственно воспринимающего измеряемую величину Х и преобразующе-

го ее в некоторый сигнал У

другой физической природы, более удобный для

дальнейших преобразований. Для измерения некоторых физических величин

существует по несколько чувствительных элементов, отличающихся принци-

пами действия. Поэтому выбор типа чувствительного элемента связан с выбо-

ром физического принципа, на котором основано действие чувствительного

элемента. (В название измерительного прибора часто вводят признак, харак-

теризующий физический принцип работы чувствительного элемента, напри-

мер, «термоэлектрический термометр»).

Каждому физическому принципу свойственна определенная зависимость

выходного сигнала У

от измеряемой величины Х, а также от некоторых побоч-

ных (дестабилизирующих) факторов:

= f(X, z

, z

, ..., z

К числу факторов z

, z

, ..., z

могут относиться температура и давление ок-

ружающей среды, параметры режимов питания чувствительного элемента, ли-

нейные и угловые ускорения, магнитные и электрические поля и др.

При этом требования ТЗ по точности и надежности должны быть реализо-

ваны с наименьшими затратами и в минимальных габаритах. С этой целью

сравнивают чувствительные элементы по следующим критериям:

1) принципиальная возможность работы чувствительного элемента в

заданном диапазоне измерения;

2) однозначность характеристики и ее стабильность;

3) наименьшее влияние на выходной сигнал побочных факторов;

4) достаточно большая выходная мощность;

5) высокая надежность (с этой точки зрения желательно, чтобы чувст-

вительный элемент не содержал подвижных деталей и скользящих

или разрывных электрических контактов);

6) простота конструкции и малые габариты.

Обычно механические и электромеханические чувствительные элементы

имеют подвижные части, связанные с опорами или направляющими. Выходной

сигнал таких элементов подвержен влиянию различных вредных сил и момен-

тов сил, обусловленных трением в опорах и направляющих, неуравновешенно-

стью подвижной системы, которая проявляется особенно сильно при линейных

ускорениях и вибрациях.

Отсюда следует, что если сравниваются два чувствительных элемента

(один электрический, другой механический), обеспечивающие преобразование

сигналов в нужном диапазоне и обладающие близкими точностными и габа-

ритно-весовыми характеристиками, то предпочтение следует отдать электриче-

скому элементу, поскольку в нем отсутствуют подвижные части. Если же срав-

ниваются два чувствительных элемента – один контактный, другой – бескон-

тактный, то при прочих равных условиях предпочтение отдается бесконтактно-

му элементу.