Sisteme distribuite de semnalizare si control

NICOLAE PARASCHIV

ACHIZIIA I PRELUCRAREA

DATELOR

UNIVERSITATEA PETROL - GAZE DIN PLOIETI

2008

Achiziia i prelucrarea datelor

CAPITOLUL

Problematica sistemelor de achiziie i prelucrare a datelor

1.1. Funciile automatizrii proceselor

Dup cum se cunoate, prin proces se nelege o succesiune de transformri ce caracterizeaz diverse obiecte sau fenomene n evoluia lor spaio - temporal. O importan aparte prezint procesele tehnologice caracterizate pe lng transferuri masice i energetice i de transferuri informaionale.

Unui proces i sunt de regul asociate trei categorii de obiective i

anume

- obiective de calitate;

- obiective de eficien;

- obiective de securitate.

Aceste obiective sunt de regul formulate prin specificaii asociate produselor sau serviciilor rezultate, mrimea beneficiilor rezultate ca urmare a valorificrii acestora, norme protecie a factorului uman, mediului i infrastructurii procesului.

Conducerea ncadreaz activitate de dirijare a evoluiei procesului n vederea realizrii obiectivelor impuse. Dup cum factorul uman este implicat sau nu conducerea poate fi manual sau automat.

Conducerea presupune existena unui mijloc de conducere (MC), care s aplice comenzi obiectului condus (OC) respectiv procesului. Ansamblul celor dou entiti ncadreaz un sistem de conducere (SC).

Dac procesul se afl numai sub influena comenzilor, este suficient determinarea comenzilor innd cont numai de obiective. Dup cum se observ din figura 1.1 sistemul de conducere este deschis , mijlocul de conducere nefiind informat n legtur cu rezultatul aciunilor sale.

Capitolul 11


ObiectiveComenziRezultate

MCOC

Fig. 1.1. Sistem de conducere deschis: MC - mijloc de conducere; OC - obiect condus (proces).

Existena unor perturbaii care acioneaz asupra OC independent de comenzi determin ndeprtarea rezultatelor de la obiective, situaie care nu poate fi rezolvat prin intermediul structurii din figura 1.1.

n consecin se impune luarea n consideraie la elaborarea comenzilor i a altor elemente n afara obiectivelor.

Dac la determinarea comenzilor pe lng obiective sunt avute n vedere i rezultatele se obine structura ilustrat n figura 1.2, n care conducerea este

corectiv.

Perturbaii

ObiectiveComenziRezultate

MCOC

Feedback

Fig. 1.2. Sistem de conducere cu aciune dup efect.

Caracterul corectiv este dat de faptul c prin aciunea comenzilor rezultatele sunt corectate n sensul c sunt readuse la nivelul obiectivelor. n acest sens se stabilete o legtur informaional de la rezultate la MC, legtur care s-a impus sub denumirea de feedback. Existena acestei legturi informaionale face ca SC cu aciune corectiv s fie cu structur nchis n raport cu rezultatele.

Este important de subliniat faptul c rezultatele sunt restabilite indiferent de cauza care a determinat alterarea lor. Exist ns i un incovenient al aciunii preventive determinat de faptul c exist intervale de timp n care rezultatele nu sunt n concordan cu obiectivele

Incovenientul identificat la SC cu aciune corectiv este eliminat dac la elaborarea comenzilor, pe lng obiective sunt avute n vedere i o parte din perturbaii. Se obine structura din figura 1.3, n care se constat existena unei legturi informaionale de la perturbaii la MC, legtur cunoscut sub denumirea de feedforward.

Capitolul 12


Feedforward

Obiective

MC

Perturbaii

ComenziRezultate

OC

Fig. 1.3. Sistem de conducere cu aciune dup cauz.

La un asemenea sistem comenzile sunt astfel determinate nct la modificarea acelor perturbaii care sunt luate n considerare, rezultatele nu se abat de la obiective. Aciunea preventiv are n vedere faptul c se previne apariia unui efect reprezentat de ndeprtarea rezultatelor de la obiective.

Dac ns se modific o perturbaie care nu este considerat de MC rezultatele nu mai sunt conforme cu obiectivele, iar acest efect nu mai poate fi ndeprtat, ntruct SC este cu structur deschis n raport cu rezultatele.

Dezavantajele celor dou tipuri de aciune sunt pariale eliminate, dac se utilizeaz un SC cu aciune mixt dup efect i dup cauz.

Feedforward

Obiective

MC

Perturbaii

ComenziRezultate

OC

Feedback

Fig. 1.4. Sistem de conducere cu aciune dup efect i dup cauz.

Sistemul acioneaz dup cauz (respectiv preventiv) la modificarea

perturbaiilor accesibile SC. La modificarea altor perturbaii aciunea este dup efect (respectiv corectiv).

n contextul conducerii automate pot fi identificate patru categorii de sisteme automate care permit realizarea urmtoarelor funcii:

- monitorizarea automat;

- reglarea automat;

- protecia automat;

- optimizarea automat.

Capitolul 13


Este de menionat faptul c pentru primele trei fucii apar constrngeri severe de natur temporal. n continuare vor fi expuse consideraii succinte privind fiecare categorie de sistem automat

1.1.1. Monitorizarea automat

Conceptul de monitorizare este legat nemijlocit de cunoaterea strii momentane i a evoluiei parametrilor afereni unui proces.

Date privind valorile parametrilor se pot obine prin msurare i/sau prin calcul. Este important de subliniat faptul c numrul minim de sisteme de msurat este egal cu numrul gradelor de libertate ale procesului, respectiv

FLM ,(1.1)

unde:L este numrul total de variabile specifice procesului;

M - numrul de relaii independente dintre cele L variabile; F - numrul gradelor de libertate.

Pentru cele F variabile care trebuie msurate se impune existena cte unui sistem de msurat la distan n structura cruia intr urmtoarele elemente:

- traductor;

- mediu (linie) de transmisie;

- instrument de vizualizare.

Traductoarele pot avea ieiri sub forma unui cod numeric, caz n care practic adaptoarele aferente acestora conine un microcontrollere cu convertoare analog-numerice (CAN) ncorporate. Sunt nc rspndite traductoarele cu

semnal de ieire analogic n domeniu unificat (uzual 420 mA).

Liniile te transmisie pentru semnale analogice sunt realizate n exclusivitate din conductoare metalice. n cazul traductoarelor numerice (smart transducers), acestea sunt conectate n reele n care transmisia poate fi cu sau fr fir (wireless).

n ceea ce privete instrumentele de vizualizare (IV) acestea pot fi reale sau virtuale. Instrumentele reale se prezint sub forma indicatoarelor i nregistratoarelor digitale. Instrumentele virtuale prezint practic utilizatorului o interfa grafic pe monitorul unui calculator, unde valorile parametrilor sunt prezentate pe diferite tipuri de indicatoare programate.

Dup relaia care exist ntre numrul de parametri care se msoar i numrul de instrumente de vizualizare s-au impus urmtoarele structuri de monitorizare:

- structura total distribuit, n care exist cte un IV pentru fiecare

parametru;

- structura total concentrat, n care exist un IV pentru toi parametrii;

Capitolul 14


- structura parial distribuit, n care exist cte un IV pentru fiecare

grup de parametri (se consider c un grup de parametri este asociat

unui subproces).

1.1.2. Reglarea automat

Reglarea automat presupune atingerea i meninerea unei stri de referin pentru proces fr intervenia nemijlocit a factorului uman. Din punctul de vedere al complexitii exist dou tipuri de sisteme de reglare automat (SRA) i anume:

- SRA cu structur convenional;

- SRA cu structur evoluat.

SRA cu structur convenional au, de regul, ca obiectiv meninerea strii de referin pentru un singur parametru. n aceast categorie pot fi incluse SRA cu aciune dup abatere (efect) i SRA cu aciune dup perturbaie (cauz), considerate tipuri fundamentale de SRA specifice nivelului automatizrii convenionale.

Pentru asigurarea funcionalitii un asemenea SRA conine pe lng proces un dispozitiv de automatizare (DA) cruia i sunt specifice trei funcii i anume:

-funcia de msurare;

-funcia de comand;

-funcia de execuie.

Pentru realizarea celor trei funcii n structura DA sunt incluse n ordinea funciilor traductoare, regulatoare elemente de execuie. Este important de subliniat faptul c regulatorul elaboreaz i transmite comanda deci ndeplinete rolul mijlocului de conducere din structura unui sistem de conducere. n figura

1.5 sunt reprezentate scheme bloc ale SRA abatere i perturbaie n care este evideniat dispozitivul de automatizare.

p1 pk pn

i

DA

a

P

y

Pr

m

r 1r k

I

DA

b

P

my

Pr

Fig. 1.5. Schema bloc simplificat de structur a unui SRA:

a - abatere; b - perturbaie; DA - dispozitiv de automatizare; Pr - proces.

Capitolul 15Achiziia i prelucrarea datelor

O alt structurare identific la nivelul unui SRA o parte fixat i una variabil. Partea fixat potrivit reprezentrii din figura 1.6 este constituit din proces, traductor(oare) i element de execuie, n timp ce partea variabil este reprezentat de regulator.

Parametri de

i

C

Parte variabilr

acordarePerturbaii

uEEProcesT

Parte fixat

r

a

Perturbaii

I

C

Parte variabil

Tb

uy

EEProces

Parte fixat

Fig. 1.6. SRA cu evidenierea prilor fixat i variabil:

SRA abatere; SRA perturbaie.

Este important de subliniat c din punctul de vedere al echipamentelor numerice de conducere traductoarele i elementele de execuie sunt considerate echipamente periferice de proces. Aceast ncadrare are n vedere faptul c prin intermediul traductoarelor procesul i face cunoscut starea, n timp ce elementele de execuie implementeaz n proces comenzile elaborate de echipamentul numeric.

SRA cu structur evoluat (reglare avansat) au asociate obiective specifice ntregului proces (instalaii). n cazul reglrii avansate, mrimile

reglate sunt adesea reprezentate de parametri sintetici ale cror valori se determin prin calcul. Prezena reglrii avansate nu exclude reglarea convenional, cele dou categorii coexistnd n cadrul sistemelor ierarhice de conducere.


n figura 1.7 se prezint structura unui sistem ierarhic organizat pe dou niveluri, n care la nivelul inferior se realizeaz reglarea convenional iar la cel superior, reglarea avansat. Comenzile elaborate la nivelul inferior se bazeaz att pe mrimile preluate din proces, ct i pe mrimile de coordonare primite de la nivelul superior. Aceste mrimi sunt generate avndu-se pe de o parte n vedere obiectivele proprii ale nivelului coordonator, iar pe de alta reaciile informaionale de la primul nivel.

z1

v1

SCI1

p1

r1m1

SCSvn

z2

v2zn

SCI2SCIn

p2pn r2 m2 rn mn

SP1SP2SPn

Fig. 1.7. Structura unui sistem de conducere ierarhizat:

SCS - sistem de conducere superior; SCI - sistem de conducere inferior; SP -

subprocese; r - reacii de la subprocese; p - perturbaii; m - mrimi de execuie; z -

reacii informaionale; v-mrimi de coordonare; - vector al obiectivelor pentru nivelul superior; - vector al mrimilor de informare de la nivelul superior.

Sistemul cu structura reprezentat n figura 1.7 este un sistem ierarhizat pe vertical i distribuit pe orizontal. Acest tip de structurare creeaz premisele realizrii sistemelor informatice integrate cu posibiliti de prelucrare unitar att a informaiei de natur tehnic ct i a celei de natur economic.

1.1.3. Protecia automat

Sistemele de protecie automat (SPA) asigur realizarea obiectivelor legate de securitate. Se au n vedere considerente legate de protecia factorului uman, a mediului ambiant i a utilajelor implicate n desfurarea procesului.

n mod uzual funciile unui SPA pot fi divizate n dou categorii importante i anume:

- funcii de informare;

- funcii de intervenie.

Funciile de informare sunt asigurate de ctre sistemele automate de avertizare iar cele de intervenie de ctre sistemele automate de blocare i comand.


Sistemele automate de avertizare (SAA) informeaz personalul de

operare n legtur cu starea momentan a unui utilaj sau cu producerea unui eveniment. Aceste sisteme sunt cu structur deschis, dup cum se observ din figura 1.8.

Limite de avertizare

P1limPklimPnlim

u

BLC

T1TkTn

P1PkPn

Parametri din proces

mAO

EAA

AA

Fig. 1.8. Structura unui sistem de avertizare (SAA) : BLC - bloc logic de comand; EAA - element acionare avertizoare; AO - avertizor optic; AA -

avertizor acustic.

Funcie de situaia semnalat avertizarea poate fi: de poziie, de prevenire sau de avarie. Avertizarea de poziie nu determin o anume aciune din partea operatorului ntruct informeaz n legtur cu starea de funcionare sau nu a unui utilaj. Avertizarea de prevenire va trebui s provoace o intervenie, pentru a se prentmpina producerea unei avarii. Al treilea tip de avertizare este legat de producerea unui eveniment care a cauzat o avarie.

Sistemele automate de blocare (SAB) sunt cu structur nchis i

determin scoaterea din funciune a unui utilaj sau seciune din instalaie, ntruct nu s-a intervenit dup avertizarea de prevenire. Este de remarcat faptul c SAB acioneaz numai la scoaterea din funciune, nu i la repornire.

Sistemele automate de comand (SAC) sunt componente ale SPA care asigur pornirea condiionat a unor utilaje. Condiionarea pornirii const n testarea ndeplinirii unor condiii ntr-o succesiune temporal impus, care preced de exemplu cuplarea alimentrii cu energie a utilajului respectiv. Tot la nivelul SAC se asigur oprirea normal a unui utilaj (nu n condiii de avarie).

1.1.4. Optimizarea automat

Conducerea optimal reprezint implic, de regul, aplicarea ctre proces a acelor comenzi care extremizeaz o funcie de performan. Este important de subliniat c nivelul de optimizare se situeaz de regul la un nivel superior


reglrii convenionale. plicarea ctre un caz particular al conducerii prin fixarea mrimilor de referin, elaborarea referinelor fcndu-se n acest caz n urma extremizrii unei funcii de performan. n capitolul 5 al prezentei lucrri va fi prezentat implementarea unui sistem de conducere optimal.

1.2. Tipuri de aplicaii n timp real

Timpul real (TR) reprezint o noiune utilizat pentru caracterizarea operaiilor dintr-un sistem de conducere care se desfoar n sincronism cu evenimentele lumii exterioare. Un sistem de conducere prezint comportare n timp real dac deciziile elaborate de acesta sunt emise la momentul oportun, respectiv sunt aplicate procesului nainte ca datele pe baza crora au fost determinate aceste comenzi s-i piard valabilitatea.

n aceste condiii timpul reprezint o resurs esenial i n acelai timp critic pentru echipamentele numerice implicate n conducerea proceselor. Este o resurs deoarece toate mrimile aferente unui proces sunt dependente de timp. Resursa timp este critic deoarece trebuie s existe o strns corelaie ntre timpul procesului i cel al sistemului de conducere.

Timpul real este concretizat n timpul de reacie sau de rspuns al sistemului la anumite modificri din proces sau la comenzi ale operatorului. Se poate aadar stabili o legtur direct ntre ineria procesului i comportarea n timp real. n ultim instan comportarea n TR este determinat de frecvena cu care sunt preluate datele din proces i cu care sunt transmise comenzile ctre acesta. n acest sens este cunoscut teorema lui Schanon care stabilete c pentru a nu se pierde informaie, frecvena de eantionare trebuie s fie cel puin dublul frecvenei semnalului care se achiziioneaz.

Avnd n vedere corelaia TR - inerie se poate spune c timpul real nu are o valoare universal ci este specific fiecrui proces. Din acest motiv o denumire alternativ pentru noiunea de timp real este cea de timp util.

n continuare vor fi prezentate dou tipuri de aplicaii n timp real i anume aplicaii de conducere i aplicaii tranzacionale.

Aplicaiile de conducere se refer la elaborarea i transmiterea de comenzi ctre un proces.

Pentru exemplificare n figura 1.9 se prezint structura unei astfel de aplicaii, care permite realizarea urmtoarelor funcii:

- achiziii de date;

- procesarea datelor achiziionate;

- actualizarea bazei de date de proces;

- elaborarea comenzilor;

Capitolul 19


- procesarea comenzilor n vederea transmiterii ctre elementele de

execuie;

- generarea de rapoarte.

COP

MEC

BGR

CTR

BDP

SEN

EEN

ABDP

Procesare Date

SIA

TA

PROCES

Procesare

Comenzi

SEA

EEA

Fig. 1.9. Structura unui sistem de conducere n timp real: BDP-baza de date de proces; BGR-bloc generare rapoarte; ABDP-modul actualizare BDP; MEC - modul elaborare

copmenzi ;COP-consola operator; CTR - ceas de timp real; SIA - subsistem intrri analogice; SEA - subsistem ieiri analogice; TA- traductoare analogice; EEA - Elemente

de execuie analogice; EEN - Elemente de execuie numerice.

Din analiza figurii 1.9 se observ c sistemul de interfa se situeaz la limita sistemului de conducere n timp real, n timp ce traductoarele i elementele de execuie se afl la limita procesului.

Aplicaiile tranzacionale presupun rezolvarea unor solicitri pe care utilizatorii le adreseaz sistemului de timp real. Aceste solicitri sunt cunoscute sub denumirea de tranzacii. Rezolvarea tranzaciilor implic existena unor aplicaii de tratare, care pot face apel la diverse categorii de resurse. n cadrul acestor tipuri de aplicaii pot fi enumerate cele din domeniul bancar, comerul on-line, rezervarea de locuri, servicii n cadrul bibliotecilor etc.


Pentru exemplificare n figura 1.10, se prezint structura unui sistem tranzacional, unde tranzaciile sunt introduse de la un terminal.

T1

T2

Tn

MAT1

MACU

MGTMMTMATkSGBD

MATnBDST

Fig. 1.10. Structura unui sistem de tranzacionare n timp real: BDST-baza

de date a sistemului tranzacional ; T1Tn - terminale; MGT - modul gestiune terminale; MMT- modul monitorizare tranzacii; MACU - modul analiz comenzi utilizatori; MAT1MATn ; SGBD - sistem de gestiune a

bazei de date; BDST - baz de date a sistemului tranzacional.

Dup cum se observ din figura 1.10 sistemul tranzacional implic utilizarea unui numr de n terminale de la care diveri utilizatori pot introduce diferite mesaje predefinite ca funcii i semnificaii denumite tranzacii. Tranzaciile determin prelucrri al cror rezultat trebuie pus la dispoziia utilizatorilor n timp real.

1.3. Trsturi specifice ale sistemelor de operare n timp

real

La realizarea i execuia unei aplicaii de timp real sunt implicate trei categorii de resurse software (sisteme de programe) i anume:

- programe de sistem;

- programe aplicative;

- programe utilitare sau de serviciu.

Programele de sistem cunoscute ca software de baz asigururmtoarele funcii importante:


- servicii comune pentru programe aplicative;

- planificare i coordonarea programelor aplicative.

n categoria serviciilor comune sunt de regul incluse urmtoarele categorii de servicii:

- alocarea unitii centrale de procesare;

- alocarea memoriei;

- alocarea echipamentelor de intrare-ieire;

- tratarea ntreruperilor.

Dup cum se va arta ntru-n sistem de timp real aplicaiile (taskurile) sunt ntr-o permanent competiie pentru deinerea resurselor sistemului. Componente ale software-ului de baz trebuie s asigure alocarea pe baza unor criterii stabilite a resurselor importante ale echipamentului numeric respectiv:

timpul unitii centrale de prelucrare i spaiile memoriei i de intrare-ieire.

n ceea ce privete tratarea ntreruperilor, acest mecanism are o importan deosebit pentru sistemele de timp real ntruct sistemul de ntreruperi constituie alturi de ceasul de timp real un suport puternic al prelucrrii n timp real.

Programele aplicative realizeaz prelucrrile dorite de utilizator. Aceste programe aplicative trebuie s se ncadreze n clasa aplicaiilor de timp real, n sensul celor prezentate anterior (adic s fie de conducere n timp real sau tranzacionale n timp real).

Programele utilitare sunt cele care asist programatorul la dezvoltarea i implementarea programelor aplicative. n aceast categorie intr printre altele: mediile de dezvoltare, diagnosticare i depanare, generatoarele de cod i de rapoarte etc.

Cea mai important component a resurselor software de baz este reprezentat de (SO). n mod obinuit u SO are dou funcii importante i anume:

- gestionarea resurselor sistemului de calcul;

- realizarea unei interfee de dialog cu utilizatorul.

Specificul Sistemelor de Operare n Timp Real (SOTR) rezult din faptul c exist programe care s fie executate condiionat de unul dintre factorii timp i/sau evenimente externe.

Avnd n vedere aceste condiionri posibile, rezult c la un moment dat n memoria sistemului pot exista mai multe aplicaii aflate n diverse stadii sau stri.

Capitolul 112


n contextul prelucrrii n timp real unitatea funcional elementar de program, independent din punct de vedere logic se numete task.

Principala component a unui SOTR este planificatorul1 care asigur secvenierea corect a evoluiei taskurilor. n mod obinuit la nivelul unui SOTR exist dou niveluri de planificare a execuiei taskurilor i anume:

- planificarea pe condiii de timp2;

- planificarea pe condiii de evenimente3.

Satisfacerea cerinelor de prelucrare n timp real la achiziia datelor din proces i la transmiterea comenzilor ctre acesta, impune o prelucrare paralel sau cel puin pseudoparalel a taskurilor. Este cunoscut faptul c o prelucrare pur paralel implic execuia simultan a mai multor instruciuni, execuie posibil n sistemele cu mai multe uniti centrale de prelucrare (UCP). La sistemele cu o singur UCP prelucrarea este pseudoparalel, fiecare task deinnd controlul UCP un anumit interval de timp.

Un SOTR capabil s asigure o execuie paralel su cel puin pseudoparalel a taskurilor se numete Sistem de Operare n Timp Real Multitasking - SOTRM..

Pe parcursul execuiei lor taskurile pot activa proceduri sau rutine care pot fi de trei categorii i anume: dedicate, comune, reentrante.

Rutinele dedicate pot fi utilizate de ctre un singur task.

Rutinele comune pot fi activate din mai multe taskuri, ns succesiv. Cu alte cuvinte, rutina poate apelat de un nou task, numai dup ce execui sa n precedentul task a fost ncheiat.

Rutinele reentrante pot fi activate simultan din mai multe taskuri, cu alte cuvinte se pot autontrerupe.

Cnd se vorbete de funcia de gestiune a SOTRM se au n vedere urmtoarele tipuri de gestiune:

- gestionarea timpului UCP,

- gestionarea alocrii spaiului de memorie intern;

- gestionare echipamentrlor periferice aferente spaiului de intrare-

ieire.

Gestionarea timpului UCP. Dup cum se cunoate UCP asigur n totalitate disponibilitile de calcul i de comand ale unui sistem de calcul. Taskurile existente la un moment dat n memoria intern i disput dreptul de utiliza UCP. Taskurile apte de a prelua controlul UCP sunt dispuse de ctre

1 Engl. -scheduler

2 Engl. - time driven

3 Engl. - event driven


planificator ntr-o coad de ateptare, care poate fi organizat funcie de prioriti4, sau n ordinea sosirii.

n mod curent SOTRM preia controlul UCP n urmtoarele situaii:

- apariia unui eveniment extern (de exemplu ntreruperi din partea

procesului sau a operatorului);

- apariia unui eveniment intern ( cum ar fi o ntrerupere asociat unei

operaii de intrare-ieire);

- o ntrerupere de la ceasul de timp real;

- apelarea de ctre taskul aflat n execuie a unei funcii realizate de

ctre SOTRM;

- trecerea unui anumit interval de timp.

La preluarea controlului UCP, SOTRM va ntrerupe taskul aflat n execuie la acel moment i va adopta una dintre urmtoarele decizii:

- va relua execuia taskului ntrerupt;

- va aduce n execuie taskul cu prioritatea cea mai ridicat din coada de

ateptare;

- va aduce n execuie taskul cu timpul de ateptare cel mai ridicat din

coada de ateptare.

n cazul n care mai multe taskuri pot avea aceeai prioritate, alocarea UCP se poate realiza potrivit urmtoarelor strategii:

- primul intrat primul ieit5 , conform creia taskurile cu prioritate egal

intr n execuie n ordinea sosirii;

- timp divizat6, conform creia fiecrui task i se aloc o cuant de timp

n care deine controlul UCP.

Unele SOTRM au facilitatea execuiei n criz de timp, care presupune creterea automat a prioritii, n condiiile n care respectivul task nu a fost executat un interval de timp superior unuia specificat.

Gestionarea memoriei interne. Existena unei zone n care s fie organizat stiva proprie este o condiie absolut necesar pentru ca un task s poat prelua controlul UCP. Pentru un SOTRM pot fi identificate patru strategii de alocare a memoriei care vor fi succint analizate n continuare.

Strategia ncrcrii n zone fixe ale memoriei presupune c la un moment dat n memoria intern a calculatorului se gsete la un moment dat un

4 Fiecrui task i se atribuie contextul timpului real un indicator de urgen sau importan n execuie care se numete prioritate. Aceste poate fi un atribut fix, care s rmn nemodificat pe durata existenei taskului, sau variabil (care se poate schimba pe parcurs - vezi funcia RTK SetTaskPriority)

5 FIFO - First Input First Output

6 Engl - time sharing


singur task. Pentru a se putea realiza execuia funcie de prioriti taskurile trebuie s fie ntreruptibile i transferabile. Aceste atribute presupun c toate taskurile care nu sunt n execuie nu sunt rezidente n memoria intern.

Avantajul acestei strategii const n faptul c taskul aflat n execuie are la dispoziie ntregul spaiu al memoriei interne. Preul pltit pentru acest avantaj este reprezentat de timpul consumat cu transferurile, astfel nct timul consumat cu tranziiile ntre stri crete.

O variant mbuntit a acestei metode const n asigurarea rezidenei permanente n memoria intern a taskurilor critice, respectiv a taskurilor nentreruptibile i a celor care impun timpi de tranziie foarte scuri.

Strategia overlay (suprapunere i nlnuire) presupune ca un task

rezident la un moment dat n memoria intern s dirijeze ncrcarea n memorie a altor taskuri.

Strategia planificatorului presupune transferul gestionrii memoriei interne ctre taskul aflat n execuie, respectiv ctre taskul care deine controlul

UCP.

Strategia coexistenei care presupune rezidena la un moment dat n memoria intern a mai multor taskuri, comutarea fcndu-se n regim de multiprogramare7.

Gestionarea operaiilor de intrare - ieire. Alturi de UCP i memoria intern, spaiul de intrare - ieire constituie o alt int pentru

concurena dintre taskuri. Din acest motiv accesul la periferice este controlat, reglementarea acestui acces aparinnd SOTRM. Pentru gestionarea operaiilor de intrare - ieire sistemele de operare pot pune la dispoziie drivere i rutine de intrare- ieire.

Driverele sunt module componente ale SOTRM care dirijeaz dispozitivele periferice fizice, reacionnd la ntreruperi pentru transferul datelor i semnalnd rutinelor de intrare-ieire ncheierea operaiei de transfer.

Rutinele de intrare-ieire interfaeaz dispozitivele implicate cu programele de aplicaie (taskuri), realiznd principial urmtoarele funcii

importante:

- semnalarea strii perifericului (liber sau ocupat);

-transmiterea cererilor de intrare-ieire ctre driverele echipamentelor

care vor fi implicate.

La gestionarea operaiilor de intrare-ieire, trebuie avut n vedere faptul c acestea se pot efectua cu sau fr implicarea unui tampon de memorie. Dac

7 Multiprogramarea presupune o execuie ntreesut conform creia la un moment dat un singur task este executat, dar mai multe sunt n execuie (respectiv au instruciuni care au fost executate i ateapt continuarea execuiei).


se utilizeaz un asemenea tampon cererea de intrare-ieire este plasat ntr-un ir de ateptare, dup care controlul UCP este dat taskului apelant. n al doilea caz (respectiv la absena unui tampon de memorie) controlul UCP este redat taskului apelant numai dup realizarea operaiei specificate.

1.4. Obiectivele i principiile ingineriei programrii n

timp real

Ingineria Programrii n Timp Real (IPTR) ncadreaz o mulime de concepte, principii, metode i instrumente de dezvoltare a programelor destinate aplicaiilor de timp real.

Abordarea n stil ingineresc a activitii de programare este impus att de complexitatea aplicaiilor, ct i de exigene care privesc creterea productivitii acestei activiti.

Principala misiune a IPTR const n asigurarea premiselor pentru trecerea de la arta programrii la industria programrii. Pentru realizarea acestei misiuni IPTR urmrete rezolvarea a trei categorii importante de probleme i anume:

- stabilirea etapelor i n cadrul acestora a fazelor prin care trece produs

informatic pe durata existenei sale;

- elaborarea unor metode i instrumente asociate (incluse n tehnologii)

pentru asistarea elaboratorului n fiecare etap de dezvoltare;

- elaborarea pe baze tiinifice a unor metodologii pentru organizarea i

coordonarea activitilor specifice dezvoltrii n stil industrial a

produselor informatice.

Pentru rezolvarea acestor tipuri de probleme, IPTR i propune urmtoarele categorii de obiective pentru produsele informatice dezvoltate :

- obiective de adaptabilitate;

- obiective de eficien;

- obiective de fiabilitate;

- obiective de perceptibilitare.

Adaptabilitatea presupune dezvoltarea de faciliti pentru efectuarea de modificri ntr-o manier strict controlat. Modificrile pot fi determinate de:

- adugarea de noi funcii;

- ameliorarea performanelor sistemului;

- corectarea unor erori de programare.

Pentru sistemele de conducere n timp real (SCTR) adaptabilitatea este impus, printre altele de caracterul evolutiv al procesului, evoluie care poate

Capitolul 116


marca modificri ale obiectivelor, a strategiei de conducere i implicit a programelor asociate.

Eficiena este impus de argumente care de regul au n vedere:

- minimizarea necesarului de resurse pentru execuia programelor;

- minimizarea efortului pentru dezvoltarea programelor;

- minimizarea timpului necesar pentru dezvoltarea programelor.

Fiabilitatea programelor se refer, ca i n cadrul echipamentelor de conducere, la dezvoltarea de aptitudini pentru acestea de ndeplinire a sarcinilor, un interval de timp prestabilit n condiii de lucru specificate. Este important de subliniat c n cadrul programelor dimensiunile fiabilitii constau n:

- evitarea, depistarea i nlturarea defectelor, pe ct posibil, n fazele de proiectare, dezvoltare i implementare a programelor;

- existen de instrumente i resurse pentru nlturarea defectelor, dac acestea se manifest pe parcursul funcionrii programelor.

Ca i n cazul echipamentelor fiabilitatea nu constituie un adaos ci se dezvolt odat cu sistemul de programe.

Perceptibilitatea se refer la aptitudinea care trebuie conferit programelor de a fi uor nelese i urmrite de ctre un alt programator sau chiar de ctre autor, la un anumit interval dup finalizare8.

Pentru realizarea acestor obiective trebuie respectate o serie de principii, ntre care o importan aparte prezint urmtoarele:

- principiul modularizrii;

- principiul abstractizrii;

- principiul localizrii;

- principiul uniformitii;

- principiul completitudinii;

- principiul confirmabilitii;

- principiul acoperirii.

Principiul modularizrii. Modularizarea reprezint maniera n care trebuie structurat un program pentru a atinge mai uor un anumit scop. Modularizarea constituie un factor determinant pentru satisfacerea obiectivelor adaptabilitii i fiabilitii.

Principiul abstractizrii impune identificarea proprietilor comune

unor entiti aparent diferite i omiterea unor detalii specifice neeseniale. De

8 Aceast obiectiv mai este cunoscut i sub denumirea de claritate.


regul ntr-o structur ierarhic , fiecare nivel reprezint o abstractizare a

nivelelor inferioare, detaliile fiind pstrate pe acestea.

Principiul localizrii se refer dispunerea n vecintate fizic a elementelor cu legturi ntre ele cum ar fi: subrutine, nregistrri fizice i logice, pagini de memorie, etc.

Principiul uniformitii presupune asigurarea consistenei, un

exemplu n acest sens fiind respectarea notaiilor.

Principiul completitudinii are n vedere includerea n conceptele

abstracte a tuturor elementelor semnificative.

Principiul confirmabilitii afirm necesitatea formulrii explicite a tuturor informaiilor legate de posibilitatea verificrii corectitudinii programelor.

Principiul acoperirii, promoveaz afirmarea aspectelor eseniale n favoarea celor neeseniale, care pot fi transparente pentru utilizator.

Un alt aspect specific IPTR legat de fazele din existena unui program respectiv:

- analiza cerinelor;

- elaborarea specificaiilor;

- proiectarea sistemului de programe;

- codificarea n program;

- instalarea i testarea programelor;

- ntreinerea programelor.

Analiza cerinelor este o etap n care beneficiarul colaboreaz strns cu echipa de analiti din partea elaboratorului produsului informatic, n vederea identificrii particularitilor problemei care urmeaz a se rezolva. Aceast etap se finalizeaz cu tema de proiectare n care sunt formulate cerinele i restriciile aplicaiei.

Elaborarea specificaiilor presupune formularea unui set de specificaii care includ resursele funcionale i restriciile de operare.

Proiectarea sistemului de programe reprezint o etap n care se stabilesc:

- structura pe module funcionale a programelor;

- relaiile ntre modulele componente i modalitile de comunicare;

- datele de intrare i rezultatele pentru fiecare modul;

- algoritmii care vor fi utilizai pentru implementarea cerinelor din tema

de proiectare.

Capitolul 118


Codificarea presupune generarea programelor pentru modulele definite n etapa de proiectare i rularea lor pe un calculator gazd.

Instalarea i testarea programelor are n vedere transferul programelor pe maina unde aplicaia urmeaz a fi executat. Respectiv pe calculatorul int. n aceast etap mai pot fi corectate eventuale erori de programare care nu au putut fi depistate n fazele anterioare.

ntreinerea programelor presupune eventuale corecii impuse fie de neconcordane n raport cu tema de proiectare, fie de reveniri ale beneficiarului.

Fiecare dintre etapele anterioare conine cte o secven de validare, promovarea la etapa urmtoare fiind condiionat de validarea celei precedente. Dup cum se observ din figura 1.11, n care sunt evideniate aceste etape, etapa de ntreinere conine o validare care are n vedere o anume activitate specific acestei etape.

Start dezvoltare aplicaie

Analiz

Codificare

NuDa

Validare

Specificaii

Nu

Validare

Nu

Nu

Da

ProiectareNu

Da

Validare

Nu

Expirare contract

intreinere

Da

Da

Validare

Da

Instalare -

testare

Da

Validare

ntreinere

Nu Da

Validare

ncheiere dezvoltare aplicaie

Fig. 1.11. Procesul iterativ asociat etapelor din existena unui produs

informatic.


Pe parcursul derulrii etapelor de mai sus repartiia aproximativ a costurilor este urmtoarea:

- analiz, elaborare specificaii, proiectare- 40 % din costuri;

- codificare- 20 % din costuri;

- instalare i testare- 40 % din costuri.

Costurile operaiilor de ntreinere le pot depi pe cele de elaborare. Evident acestea sunt suportate de elaborator (dac se constat erori ale acestuia) sau de ctre beneficiar (n cazul unor reveniri).

Pe parcursul diverselor etape, sunt implicai, n ordine; urmtoarele categorii specialiti n tehnologia informaiei:

- analiti;

- proiectani;

- programatori;

- implementatori.

Coordonarea dezvoltrii i implementrii produsului informatic este asigurat de ctre un manager de proiect.

Capitolul 120


CAPITOLUL

Elemente componente ale sistemelor de achiziie

2

Dup cum s-a artat n capitolul precedent un echipament numeric (EN) de calcul proceseaz datele ntr-o form specific acestuia i ofer rezultatele ntr-o form accesibil utilizatorului. Acest mod de funcionare presupune existena n structura EN a unei diviziuni capabile s rezolve comunicarea cu mediul exterior reprezentat de utilizatori.

Obiectul prezentului capitol l constituie prezentarea funcional a dispozitivelor destinate schimbului de informaii cu procesul tehnologic reprezentat de traductoare i elemente de execuie.

2.1. Transferuri de date n echipamente numerice

Din punct de vedere structural frontiera dintre diviziunile de calcul, comand si memorare i cea de comunicare este reprezentat de porturile de intrare/ieire. n acest sens un port este un punct prin care se face schimb de informaie cu mediul exterior. n continuare vor fi prezentate elemente privind modalitile de transfer a datelor i mediile prin care acesta se realizeaz.

2.1.1. Transferul paralel al informaiei

Dup cum se observ din figura 2.1, un echipament periferic nu este conectat direct la magistralele sistemului de calcul, ci prin intermediul unei interfee.

Funcionarea nemijlocit a EP este coordonat de ctre CP, care se conecteaz la microsistem prin intermediul ITF. Aceast delimitare net ntre ITF i CP nu este ntotdeauna evident. Dac ITF i CP sunt incluse n acelai circuit integrat poart denumirea global de controller , acesta putnd depi n complexitate structura unui P.

21 Achiziia i prelucrarea datelor

n ceea ce privete interfeele, acestea pot fi nestandard sau standard, ambele tipuri fcnd posibil comunicaia cu porturile. Comunicaia cu un port necesit selectarea acestuia, urmat de nscriere sau de citire. Informaia citit sau nscris este vehiculat pe magistrala de date a sistemului. Pentru sistem, portul n care se nscrie este port de ieire, cel din care se citete este port de intrare, iar cel din care se citete si se nscrie este port de intrare / ieire.

I T F

C PE P

MS

Fig. 2.1. Structur principial pentru conectarea unui periferic la sistem: MS - magistral sistem; ITF - interfa; CP - unitate de comand a perifericului; EP - echipament periferic.

O interfa de comunicaie are structura de principiu din figura 2.2 i necesit mai multe porturi concretizate n urmtoarele adrese :

- una sau dou adrese pentru portul de intrare/ieire date, dup cum acesta este bidirecional sau constituit din dou porturi unidirecionale ;

- o adres pentru un port de intrare, care conine starea perifericului ;

- o adres pentru un port de ieire care va conine un cuvnt de comand ctre periferic.

MD

BSF

RTI

MA MC

RTE

Periferic

Fig. 2.2. Structurde principiu pentru o interfa:

MA, MD, MC - magistrale de adrese, date, comenzi; BSE - bloc selecie funcie; RTI, RTE - registre tampon de intrare, ieire.


De regul informaia se transmite n exterior de pe magistrala de date a sistemului. Dac toi biii acesteia se transmit simultan, atunci transmisia este paralel, iar dac se transmit succesiv transmisia este serial.

Figura 2.3 prezint diagramele de timp pentru transferul paralel al urmtoarei secvene de cuvinte cu lungimea de un byte : 11110001, 00011110, 11000101. Dup cum se observ, pe liniile magistralei vor fi simultan, la momentul de tact, biii corespunztori cuvintelor care se transmit ( se consider c cei trei octei se transmit la momentele t1, t2, i t3).

D7

MSb1

t

D6

1

t

D5

1

t

D4

1

t

D3

1

t

D2

1

t

D1

1

t

D0

1

LSb

t

Imp.

1

t

t1t2t3

Fig. 2.3 Diagram de timp pentru transmisia paralel:

D7D0 - biii care se transmit; MSb - bitul cel mai semnificativ; LSb - bitul cel mai puin semnificativ.

ntre seciunile unui P precum i ntre acesta si memorie, transmisia este aproape n exclusivitate n format paralel. Vitezei ridicate de transmisie i se opune o sensibilitate ridicat la perturbaii, motiv pentru care n exteriorul sistemului transmisia se poate face la maximum 2-3 m, iar cu amplificatoare de magistral la 50-60 m.

Pentru transferul paralel exist interfee standard programabile (funciile sunt fixate prin program) ntre care remarcabile sunt : PIO (Parallel Input


Output), PIA(Programmable Interface Adapter), PPF(Programmable

Peripheral Interface).

2.1.2. Transferul serial al informaiei

Transmisia serial, care este mai lent dect cea paralel, se folosete pentru transferul informaiei ntre calculatoare sau ntre calculatoare i unele categorii de periferice. Comunicaia se poate desfura intr-un singur sens (simplex), in ambele sensuri, dar nu simultan (semiduplex), sau simultan n ambele sensuri (duplex).

Indiferent de consistena fizic a semnalelor informaia poate fi transmis asincron sau sincron.

n modul asincron momentele transmisiei sunt aleatoare, dar orice cuvnt consum acelai interval de timp.

n figura 2.4 este evideniat transmisia serial asincron a octetului 11010100. n repaus linia este n starea 1 logic, iar transmisia fiecrui cuvnt ncepe cu bitul de start care este 0 logic. La recepie se detecteaz la inceput tranziia 10 a bitului de start. n situaia recepiei corecte a bitului de start se preiau ceilali biti, ncepnd cu LSb i terminnd cu MSb. Transmisia cuvntului se ncheie cu unul sau doi bii 1 de stop, dup care linia rmne n repaus (starea

1), sau se ncepe cu un nou bit de start (starea 0). Transmisia este denumit funcie de lungimea total a cuvntului pentru a transmite un octet (8/10- pentru un bit de stop, 8/11 pentru doi bii de stop). Viteza de transmisie a informaiei pe o linie de comunicaie se msoar n bps (bii pe secund), iar viteza semnalului se msoar n baud. Baud-ul este definit ca msura invers, a duratei exprimate n secunde, a celui mai scurt element din codul semnalului. Este evident faptul c n cazul informaiei codificate binar, cele dou viteze coincid. La frecvene ridicate modul asincron devine ineficient, deoarece 2 sau 3 bii dintr-un cuvnt nu sunt purttori de informaie.

U

1

U

1

StartStop

b0b 1 b2b3b4b5b6b7

t1t2t3t4t5t6t7t8t9t10

Fig. 2.4. Transmisie serial asincron 8/10.

Ateptare

t

Impulsuri de la generatorul local

t


n modul de transmisie serial sincron, cuvintele sunt transmise ntr-o succesiune continu, sub form de bloc de date, fr bii de start i de stop. Pentru a exista coresponden n timp (sincronizare), la emisie i la recepie se transmite cte un bit de sincronizare pentru fiecare bloc de date. Pentru transmisia la mari distane pe linie telefonic, semnalul digital este convertit ntr-o frecven. n aceste condiii la emitor este necesar prezena unui modulator, iar la receptor a unui demodulator, ansamblul celor dou elemente fiind cunoscut sub denumirea de MODEM ( MODulator DEModulator).

n ceea ce privete interfeele standardizate destinate transmisiei seriale sunt de menionat : UART (Universal Asynchronous Receiver Transmiter),

ACIA (Asynchronous Comunications Interface Adapter), USART (Universal Synchronous and Asynchronous Receiver Transmiter).

Realizarea unei interfee seriale presupune n primul rnd realizarea unui convertor paralel-serie (pentru emisie) i a unuia serie-paralel (la recepie) .

Ambele tipuri de convertoare pot fi realizate cu registre de deplasare. Conversia paralel-serie presupune ncrcarea unui cuvnt intr-un registru, urmat de deplasarea acestuia cu cte un rang la fiecare impuls de tact. Astfel, la ieirea registrului se obin succesiv (serial) biii cuvntului de la intrare ncepnd cu LSb. La conversia serie-paralel registrul este ncrcat serie cu cte un bit (ncepnd cu LSb) la fiecare impuls de tact. Dup introducerea MSb cuvntul este extras la ieirea n paralel a registrului .

2.1.3. Magistrale de comunicaie

n transferul de date sunt implicate echipamente i uniti funcionale interconectate prin intermediul magistralelor de comunicaie.

n sens restrns magistrala (M) reprezint un grup de trasee prin care sunt transmise semnale n interiorul unui sistem de calcul, ntre acesta i echipamentele periferice, sau ntre mai multe sisteme de calcul.

n sens mai larg noiunea de M include:

mediul de transmitere (conductor metalic, eterul, fibr optic, etc.) ; forma sub care sunt vehiculate semnalele (niveluri de tensiune,

durata impulsurilor, frecvena impulsurilor etc.) ;

dispozitivele de conectare de la fiecare capt.

n afara consistenei fizice prezentate, noiunii de M i se mai atribuie i un coninut logic concretizat n modul de vehiculare a semnalelor, secvenierea lor n timp, semnificaiile acestora.

Principial magistrala realizeaz urmtoarele funcii:

- transferul de informaie;

25


- sincronizarea, care permite cuplarea de echipamente cu caracteristici dinamice diferite;

- comutarea, care faciliteaz utilizarea n comun a M.

Cu toate c din punct de vedere fizic circuitele de sincronizare i/sau comutare se gsesc incluse n modulele deservite, conceptual acestea se consider ca fcnd parte din M. Concretizarea realizrii acestor funcii impune alegerea mediului fizic de transmitere, a protocolului logic de transmisie i a manierei de alocare a M la utilizatori.

Uzual M se consider secionat n trei diviziuni i anume:

- magistrala de date asociat transmiterii datelor ntre memorie i P;

- magistrala de adrese prin care circul semnalele de identificare a locaiei de memorare referite;

- magistrala de comenzi care vehiculeaz semnalele de comand i control ale sistemului.

Caracteristicile importante ale unei M sunt lungimea i limea (prin

lime nelegndu-se numrul de linii n paralel). ntre acestea dou caracteristici exist o strns corelaie determinat de structura fizic a mediului de transmitere i de cost.

Deoarece actualele echipamente de conducere sunt sisteme multiprocesor, n continuare vor fi prezentate cteva elemente specifice comunicaiei n cadrul acestor sisteme.

Din punct de vedere topologic subsistemele pot fi puternic sau slab cuplate. Termenul de puternic cuplat este folosit pentru definirea unui transfer de informaie ntre procesoare i resurse comune (n primul rnd memoria) care se consider concentrate. Termenul de slab cuplat se refer la comunicaia n cadrul sistemelor n care att procesoarele ct i resursele sunt distribuite. Sistemelor puternic cuplate le sunt specifice M paralele, iar cele slab cuplate sunt caracterizate de existena M seriale.

O prim structur de sistem puternic cuplat este cea din figura 2.5, n care procesoarele P1 i P2 utilizeaz n comun memoriile M1 i M2. Fiecare procesor dispune de propria M, ceea ce impune ca fiecare memorie s dein un numr de porturi de acces egal cu numrul procesoarelor. n cazul sistemelor cu un numr ridicat de procesoare, structura M i mecanismul de acces multiport la memorie devin deosebit de complexe, ceea ce limiteaz rspndirea acestui tip de comunicaie.

P1P2

Fig. 2.5. Sistem puternic cuplat cu mai multe magistrale:

M1M2


Structura din figura 2.6 utilizeaz o singur M, indiferent de numrul procesoarelor i al blocurilor de memorie pe care le interconecteaz. Utilizarea M se face prin divizarea timpului, fiecrui proces fiindu-i alocat, ciclic, un interval de timp n care are acces la totalitatea resurselor (n spe la ntregul spaiu de memorie). O asemenea soluie este atractiv datorit simplitii ei, dar prezint dezavantajul unor performane n ceea ce privete viteza de transmisie.

P1P2

Fig. 2.6. Sistem puternic cuplat cu o singur magistral.

M1M2

O a treia metod de interconectare n cadrul sistemelor puternic cuplate o reprezint utilizarea M ncruciate (cross-bar). Dup cum se observ din figura

2.7, n care este evideniat principiul metodei , prezena comutatoarelor pe

magistrale Kij permite comunicarea oricrui procesor, cu orice modul de memorie, fiind posibile i transferurile simultane. De exemplu, n figura 2.6, n timp ce procesorul P1 citete date din memoria M2, procesorul P2 poate s nscrie date n memoria M1. Soluia cross-bar mrete viteza de lucru a sistemului, simplific realizarea blocurilor de memorie, dar necesit un numr mare de magistrale i un mecanism complex de comutaie.

P1P2

K11K12

M1

K21K22

M2

Fig. 2.7. Sistem cu magistrale ncruciate.

Industria echipamentelor de conducere a proceselor a cunoscut o abunden de tipuri de magistrale, marii productori ncercnd s impun ca standard propriile structuri de M. Magistralele specifice sistemelor de conducere sunt de regul ierarhizate i distribuite, corespunztor caracterului acestor sisteme. n continuare vor fi prezentate elementele importante a dou standarde


de organizare a magistralelor pentru echipamentele de proces i anume AMS i VME.

Magistrala AMS a fost elaborat n Europa, de ctre firma Siemens i este organizat pe 4 niveluri de comunicaie (figura 2.8).

AMS_8

AMS_32

P1S1P2

AMS_16AMS_16

P3P4S2P5S8S9

AMS_8AMS_8

S5S6S7S10S11

Fig. 2.8. Comunicaia prin magistrala AMS :

P - procesoare (module MASTER); S - module subordonate (SLAVE).

Procesoarele asociate primului nivel sunt interconectate prin magistrale pe 32 de bii, AMS32. Procesoarele P1 i P2 coordoneaz prin intermediul magistralelor pe 16 bii AMS16 susbsistemele situate la nivelul inferior.

Diviziunea AMS8 a M este asociat nivelului de baz al sistemului ierarhic i poate reprezenta, de exemplu, comunicaiile asociate unui C. n afara

comunicaiei de tip paralel ntre procesoare, standardul AMS oferi

posibilitatea comunicaiei de tip serial ntre acestea.

Magistrala VME, cu toate c s-a dorit s fie independent de fabricant, este puternic orientat ctre familia de P Motorola. Din punct de vedere

structural, standardul VME impune 3 seciuni, evideniate n figura 4.9 i anume:

-VMX destinat conectrii unui procesor cu module pasive n structuri monoprocesor;

-VME care permite cuplarea n configuraie multiprocesor a modulelor active i pasive.

-VMS care ofer posibilitatea comunicaiei seriale ntre modulele active i cele pasive.


VMS

VME

PMI/EMP

VMX

Fig. 2.9. Magistrala VME:

P - procesoare; M - memorie; I/E - uniti de intrare/ieire; VMS, VME, VMX - seciuni ale magistralei.

Distribuia pe arii extinse a echipamentelor de conducere i supraveghere impune conectarea acestora n reele de comunicaie, n care comunicaia este serial iar schimbul de informaie se poate realiza ntre doi sau mai muli parteneri. Principalele configuraii de reele sunt (figura 4.10):

- configuraie stea, n care un nod central este legat la toate celelalte noduri ale reelei;

- configuraie multipunct, n care toate nodurile sunt conectate printr-o legtur unic;

- configuraie n bucl, asemntoare celei multipunct, n care ns legtura formeaz o bucl;

- configuraia de tip plas, n care fiecare partener din reea posed cel puin dou legturi cu ali parteneri.

Comunicaia n cadrul reelelor se poate realiza ntr-un sens sau n ambele sensuri (simultan sau nu). Canalele care ofer suportul comunicaiei pot fi multiplexate n timp sau n frecven. n primul caz fiecrui utilizator i se aloc o cuant de timp, pe durata creia poate folosi canalul. Multiplexarea n frecven presupune alocarea de frecvene separate (n cadrul benzii de trecere a canalului) pentru diveri parteneri sau grupe de parteneri.

Pentru ca transferul de informaie n cadrul reelelor s poat avea loc, se impune stabilirea unui set de reguli asociat acestui proces, care constituie protocolul de comunicaie.

2.3. Interfee de proces

Necesitatea interconectrii subsistemelor cu caracteristici complet diferite impune utilizarea unor dispozitive care s le compatibilizeze. Aceast compatibilizare trebuie s asigure transferul informaional ntre sistemele conectate, care devine posibil n condiiile n care dispozitivele de interconectare prezint caracteristici comune ambelor subsisteme.


a)b)

c)d)

Fig. 2.10. Tipuri de reele de comunicaie:

a - stea; b - multipunct; c - n bucl; d - de tip plas cu conectare complet.

n cadrul sistemelor numerice de conducere a proceselor, compatibilizarea este asigurat de ctre sistemul de interfa proces-calculator (SIPC) ale crui caracteristici vor fi prezentate n cele ce urmeaz.

2.3.1. Structura i funciile sistemului de interfa cu procesul

Necesitatea existenei SIPC apare evident datorit incompatibilitii totale ntre mrimile aferente procesului i cele cu care opereaz echipamentul numeric de conducere. Practic SIPC asigur posibilitatea conectrii calculatorului la echipamentele periferice de proces reprezentate de traductoare i elemente de execuie.

La nivelul SIPC se consider c are loc o transmisie bilateral de informaie, ntre proces i calculator, care funcie de sensul transmisiei se pot constitui alternativ n emitoare respectiv receptoare de informaie. Transmisia semnalelor se poate face prin cablu, radio, fibr optic, etc. n cazul transmisiei prin cablu, aceasta se poate face serie sau paralel, durata fiind determinat, printre altele, de: timpii de trecere, de identificare a receptorului i de acceptare a transmisiei. Viteza de transmisie a datelor este influenat i de tipul semnalelor de sincronizare.

Din acest punct de vedere transmisia se poate face prin dou metode i

anume:

- transferul ciclic, care presupune efectuarea transmisiei ntre dou impulsuri de tact;


- transferul la cerere, care presupune informarea asincron a unitii receptoare n legtur cu posibilitatea efecturii unei transmisii urmat de identificarea emitorului i de acceptarea transmisiei.

C A L C U L A T O R

SADASADNSDCASDCN

SADSDC

P R O C E S

Fig. 2.11. Structura generala unui SIPC.

Structura general a unui SIPC este de forma celei prezentate n figura

2.11, n care se remarc prezena a dou subsisteme i anume:

- subsistemul de achiziie a datelor (SAD);

- subsistemul de distribuie a comenzilor (SDC).

SAD, care cuprinde subsistemele de achiziie a datelor analogice (SADA) i numerice (SADN), asigur preluarea semnalelor din proces,

adaptarea lor n vederea prelucrrii numerice i transmisia la calculator.

SDC, care cuprinde subsistemele de distribuie a comenzilor n forma analogic (SDCA) i numeric (SDCN), asigur transformarea informaiei

furnizate de calculator n semnale specifice elementelor de execuie (analogice sau numerice) i transmisia ctre acestea.

Gestionarea transferului de informaie ntre perifericele de proces i echipamentul numeric de conducere este realizat de ctre o bloc de comand aferent SIPC.

n momentul actual se constat tendina de migrare a tehnicii numerice ctre perifericele de proces aspect materializat de apariia aa numitelor traductoare i elemente de execuie inteligente. Aceast deplasare nu schimb ns fondul atribuiilor SIPC deoarece subsistemele aferente acestuia se regsesc n structurile traductoarelor i elementelor de execuie. Soluia, tentant la prima vedere, prezint inconvenientul costurilor, nc destul de ridicate pentru aceste tipuri de traductoare i de elemente de execuie.


O situaie frecvent ntlnit este aceea n care se menin traductoare i elemente de execuie analogice dar se utilizeaz regulatoare numerice. n acest caz regulatoarele conin interfee de proces cu structuri apropiate de cele ce se vor prezentata n continuare.

2.3.2. Subsistemul de achiziie a datelor analogice (SADA)

Un volum important din informaia privind starea proceselor tehnologice este transmis sub form analogic de ctre traductoare corespunztoare. Aceste semnale pot fi att n curent ct i n tensiune, de nivel cobort sau ridicat.

ntre funciile specifice SADA pot fi enumerate:

- selectarea canalului fizic de acces conform unei adrese primite de la

UCP;

- eventuale prelucrri primare ale informaiei preluate(liniarizri,

corecii, filtrri, etc);

- transformarea semnalelor n vederea compatibilizrii cu domeniul dispozitivului (dispozitivelor) de conversie analog-numeric;

- conversia din form analogic n form numeric;

- transferul informaiei numerice rezultate, n memoria echipamentului numeric prin intermediul magistralei de date.

Corespunztor funciilor enumerate, n structura SADA pot intra, n totalitate sau nu, urmtoarele componente:

- elemente de jonciune (EJ), care conecteaz SADA la liniile prin care se transmit semnale de la perifericele de proces;

- multiplexoare (MUX), care creeaz posibilitatea utilizrii n comun a resurselor unice;

- elemente de prelucrare primar(EPP), care asigur prelucrri de tipul celor enumerate mai sus;

- amplificatoare, care permit aducerea semnalului n domeniul convertorului analog-numeric i adaptarea de impedan;

- dispozitive de eantionare i reinere (DER), care reprezint memorii analogice destinate pstrrii semnalului eantionat pe durata conversiei analog -numerice;

- convertoare analog - numerice (CAN), destinate conversiei semnalelor preluate din form analogic n form numeric;

- registre tampon ale mrimii convertite (RT) , care memoreaz valorile numerice ale mrimilor achiziionate, pn cnd acestea sunt preluate pe magistrala de date;

- blocul de comand(BC) destinat secvenierii operaiilor aferente achiziiei i conversiei, innd cont de caracterul asincron al acestora n raport cu funcionarea UCP.

32


n figura 2.12 sunt prezentate structuri posibile de SADA difereniate dup numrul de CAN utilizate.

I1EPP

I2EPP

InEPP

I1EPP

InEPP

AFAPDERCAN

M U X A

B C

a)

A1DER1CAN1

M U X N

AnDERnCANn

B C

b)

RT

MD

RT

MD

Fig. 2.12. Structuri de SADA:

a - cu un singur CAN i multiplexare analogic; b - cu mai multe CAN i multiplexare numeric.

Varianta din figura 2.12 a este caracterizat de prezena unui

amplificator cu factor de amplificare programabil (AFAP), cruia i succede un lan unic DER-CAN. Rolul AFAP este acela de a aduce semnalele preluate de la traductoare n domeniul de lucru al CAN.

Operaia de achiziie a datelor de pe un anumit canal, n cazul acestei variantei, se deruleaz etapizat dup cum urmeaz:

- se transmite multiplexorului analogic MUXA adresa canalului selectat;

- se transmite ctre AFAP factorul de amplificare aferent;

- se transmite ctre DER comanda de eantionare;

- se transmite ctre CAN comanda Start conversie;

- dup recepionarea semnalului Sfrit conversie se transmite comanda de nscriere a informaiei numerice furnizate de CAN n registrul tampon RT.


Variantei din figura 2.12 b i este specific cte un lan A-DER-CAN

pentru fiecare canal care se conecteaz la SADA. Spre deosebire de varianta anterioar, fiecare din coeficienii de amplificare ai amplificatoarelor A1,, An este fix, iar multiplexarea este numeric, resursa comun fiind reprezentat de RT iar utilizatorii de ansamblurile EP-A-DER-CAN, aferente fiecrui canal.

Achiziia de pe un canal, n cazul variantei b se realizeaz prin parcurgerea urmtoarei secvene de operaii:

- se poziioneaz multiplexorul numeric MUXN pe canalul de pe care urmeaz a se face achiziia;

- se transmite comanda de eantionare ctre DER de pe canalul respectiv;

- se transmite comanda Start conversie ctre CAN de pe canalul selectat;

- dup recepionarea semnalului Sfrit conversie se d comanda de nscriere a codului numeric rezultat n RT.

n cazul ambelor variante dup nscrierea n registrul tampon RT, datele n form numeric pot fi preluate n memorie prin intermediul magistralei de date

MD.

Cu toate c n soluiile prezentate n figura 2.12 SADA se conecteaz numai la MD, nu este exclus conectarea n anumite situaii i la magistralele de adrese i de comenzi ale sistemului respectiv. n continuare se vor face referiri la elementele care intr n structura SADA.

Elementele de jonciune. Acestea asigur conectarea nemijlocit, fizic a SADA la traductoarele din proces. Uzual conectarea se poate face prin cleme, cuple sau lipire. Deosebit de important pentru precizia SADA este valoarea rezistenelor de contact din cadrul EJ i stabilitatea lor n timp. Din acest punct de vedere cea mai sigur este conectarea prin lipire, la polul opus situndu-se EJ realizate cu cleme.

O alt cerin impus EJ o reprezint posibilitatea de modificare a configuraiei canalelor de intrare, conexiunile realizate cu cleme oferind faciliti maxime n acest sens.

n legtur cu opiunea pentru un tip de EJ trebuie realizat un compromis ntre versatilitatea i fermitatea jonciunilor realizate.

Elemente de prelucrare primar. Acestea realizeaz printre altele urmtoarele operaii: converise curent - tensiune, filtrare, atenuare.

Conversia curent tensiune. Se realizeaz prin conectarea unui rezistor n

circuitul de ieire calculeazcu relaia:

U max

(n curent) al traductorului . Rezistena acestuia se

R

Imax

(2.1)

n care:- R este rezistena rezistorului;


- Umax - domeniul tensiunii la intrarea CAN;

- Imax - domeniul curentului de la traductor.

Exemplul 2.1

S se calculeze rezistena R pentru un traductor cu i [4...20 mA] care se conecteaz la un CAN care admite la intrare u[...1V], domeniul util fiind u[0,2...1V].

Rezolvare

n figura 4.16 se prezint conectarea traductorului la CAN i caracteristica static a convertorului curent - tensiune realizat cu rezistorul R.

u [V ]

i

1

TraductorRuC A N

0.2

i [mA ]

420

a)b)

Fig. 2.13. Conversia curent - tensiune:

a - schema de conectare; b - caracteristica static.

Aplicnd relaia (2.1) rezultpentru R valoarea :

10,2

R3500(204)10

Filtrarea are drept principal, scop rejecia tensiunilor parazite induse n cablurile de conectare. Uzual se folosesc filtre simple trece jos iar n situaii deosebite chiar filtre active.

Atenuarea se realizeaz prin utilizarea divizoarelor rezistive. Performanele atenuatoarelor sunt dictate att de precizia ct i de stabilitatea termici n timp a rezistoarelor.

Multiplexoarele. MUX sunt dispozitive care permit conectarea unei resurse la mai muli utilizatori, situai din punct de vedere topologic naintea acesteia. Multiplexarea poate fi analogic sau numeric. Soluiei de SADA prezentate n figura 4.15 a i este specific multiplexarea analogic n care utilizatorii sunt reprezentai de canalele analogice de intrare iar resursa de ansamblul AFAP-DER-CAN. Pentru varianta de SADA din figura 4.15 b, n care multiplexarea este numeric, utilizatorii sunt constituii din CAN asociate fiecrui canal iar resursa de RT i implicit de magistrala de date a sistemului.


MUXA este constituit dintr-o reea de comutatoare comandate, care pe baza unei adrese de selecie dirijeaz o anumit intrare ctre ieirea unic. n

figura 2.14 se prezint schematic un MUXA cu seleciei canalelor.

EN

8 intrri i tabelul de adevr al

A2A1A0Y

I0 I1

I7

1000I0

1001I1

Y1010I2

1011I3

1100I4

1101I5

1110I6

1111I7

EN A2 A1 A00***-

a)b)

Fig. 2.14. MUXA cu opt intrri: a - schema principial; b - selecia intrrilor.

Dup cum se observ din figura 2.14.b, cuvntul de adres este format din

4 bii, din care 3 sunt pentru selecia canalului (A2,A1,A0) iar bitul EN (enable) este utilizat pentru selecia MUX. Orice combinaie A2A1A0 va conduce la selecia unui canal, numai dac MUX este activat, respectiv dac EN=1.

n general pentru un MUXA cu n canale de intrare cuvntul de selecie a unui canal va fi format din log2n+1 bii, unde n este o putere ntreag a lui 2.

Elementul principal al MUXA l constituie reeaua de comutatoare care poate fi realizat n urmtoarele variante constructive:

- cu relee obinuite;

- cu relee cu mercur;

- cu relee reed;

- cu elemente semiconductoare.

Primele trei variante, care utilizeaz elemente electromecanice sunt caracterizate de investiii iniiale reduse, compensate ns de un efort considerabil n timpul exploatrii, datorit fiabilitii i duratei de via reduse.

Dintre variantele cu elemente electromecanice s-au impus ateniei, datorit unui raport performan/cost acceptabil, MUX realizate cu relee reed

Un releu reed a crui structur este prezentat n figura 2.15, poate oferi urmtoarele performane:

- rezistena contactului nchis mai mic de 50 m ;


- viteza de comutaie ridicat chiar n cazul unor frecvene de ordinul 250 parametri / secund;

- durata de via ridicatsituat ntre 106 i 109 cicluri.

Este de menionat faptul c durata de via a unui releu reed este condiionat de respectarea specificaiilor referitoare la ncrcarea acestuia (rezisten de sarcin).

43

2

1

U

Fig. 2.15. Schema principiala unui releu reed:

1 - lamelfix; 2 - capsuldin sticl; 3 - bobin; 4-lamelmobil.

Reelele de comutatoare statice sunt realizate cu dispozitive semiconductoare care lucreaz n regim de comutaie. Comutatoarele pot fi realizate cu tranzistoare bipolare sau speciale, n figura 2.16 fiind prezentat un comutator realizat cu tranzistoare cu efect de cmp (FET).

D

RC

UC Ui

S

G

U0RS

Fig. 2.16. Comutator electronic realizat cu FET:

RS - rezistende sarcin; RC - rezistenaferentcanalului de intrare; Ui - tensiune de intrare; U0 - tensiune de ieire; UC - tensiune de comand; D - dren; S - surs; G - gril.

Cu notaiile din figura 2.16 expresia tensiunii la ieire este:

U0

R s

Rs Rc r

Ui(2.2)

DS(ON)


n care rDS(ON) reprezint rezistena tranzistorului dren-surs n conducie (de ordinul ohmilor).

MUXA se realizeaz de regul pentru un numr relativ redus de canale, 8 sau 16. Creterea capacitii de multiplexare se realizeaz prin conectarea mai multor MUXA. n figura 2.17 se prezint o asemenea soluie , prin conectarea MUXA paralel, n varianta a, respectiv serie n varianta b.

Prin conectarea n paralel a m MUXA cu n intrri se obine un MUXA cu mn intrri. Conectarea n serie presupune utilizarea a m+1 MUXA, capacitatea rezultat fiind de m n (n m) canale.

Pe lng avantajul creterii numrului de canale multiplexate, cele dou soluii prezint i dezavantaje cum ar fi:

-micorarea impedanei de intrare a amplificatorului care succede

MUXA (varianta a);

-creterea rezistenei comutatoarelor n conducie care poate

influena precizia achiziiei (varianta b).

1

2MUX

1

n

1

2MUX

2

n

1

2MUX

m

n

a)

1

2MUX

1

n

11

2MUX2

Y2

nm

n

1

2MUX

m

n

b)

Y

MUX

0

Fig. 2.17. Configuraii de multiplexoare: a - paralel; b - serie.

n cazul MUXN resursa comun poate fi reprezentat de un canal de comunicaie, iar utilizatorii de surse de semnal cum ar fi: traductoare numerice sau quasinumerice, stri contacte etc.

n figura 2.18 este prezentat structura unui MUXN pe un bit 4:1, realizat cu pori I-SAU-NU i care are urmtoarea funcie de selecie:


Y EN(A0A1D0 A0A1D1 A0A1D2 A0A1D3)(4.3)

A1A0D0D1D2D3EN

Y W

Fig. 2.18. MUXN pe un bit cu patru intrri:

A1, A0 - bii selecie canal; EN - bit selecie MUXN;

D0D3 - intrri numerice; Y - ieire direct; W - ieire negat.

In sistemele industriale achiziia mrimilor numerice nu se realizeaz la nivel de bit ci la nivel de cuvnt binar cu o lungime egal, de regul, cu cea a magistralei de date. Ca i n cazul MUXA creterea capacitii de multiplexare se poate realiza prin gruparea convenabil a MUXN elementare.

Amplificatoare cu factor de amplificare programabil ntr-un SIPC amplificatoarele pot realiza una sau mai multe din urmtoarele funcii:

- amplificarea semnalului;

- adaptarea de impedan ntre surse i DER;

- conversia curent tensiune;

- rejecia zgomotului de mod comun dintr-un semnal diferenial.

n cele ce urmeaz se vor face referiri la principala funcie a amplificatoarelor i anume aducerea semnalelor preluate de la traductoare n domeniul de lucru al ansamblului DER-CAN.

Dac sursele se semnal nu ofer semnale n aceeai gam se utilizeaz AFAP. n figura 4.22 se prezint structura unui AFAP, care conine un

amplificator operaional AO a crui rezisten de intrare poate fi modificat prin comanda de la calculator a comutatoarelor Ci.


C1

R/8

R1R/4

R/2

U1R

Circuit de comandDe la

calculator

C2

C3

C4

R2

-

+

U2

Fig. 2.19. AFAP cu rezisten variabil pe intrare.

Amplificarea structurii prezentate n figura 2.19 este

A

R 2

R 1

(3.4)

n care rezistena de intrare R1 se determin cu relaia

32101

R1R(2 c12 c22c32 c4),(3.5)

unde ci are valori logice0 sau1 funcie de starea deschis sau nchis a

comutatoarelor Ci. n tabelul4.1 se prezint valorile|A|1 pentru toate

combinaiile posibile ale comutatoarelor, n situaia R=R2.

Tabelul 2.1

Valori posibile pentru AC10000000011111111

C20000111100001111

C30011001100110011

C40101010101010101

A0123456789111111

Eroarea tipic a structurii din figura2.19 este datorat faptului crezistenelecomutatoarelor introduse de comutatoarele Ci(realizate cu

tranzistoare cu efect de cmp, bipolare, relee REED etc.) se nseriaz cu

rezistenele reelei de comutatoare din MUX .

1 Din combinaiile prezentate se eclude combinaia 0000 care ar corespunde tuturor comutatoarelor deschise.

40Achiziia i prelucrarea datelor

Structura prezentat n figura 2.20, n care rezistena variabil este

conectat pe reacia amplificatorului operaional elimin acest neajuns.

Cnd este necesar un domeniu larg de amplificare i n acelai timp se solicit o rezoluie fin ntre dou trepte, se poate introduce n cascad un al doilea etaj cu amplificare programabil.

Circuit de

comandDe laC1C2C3

calculator

R2R4R8R R

-

U1+

Fig. 2.20. AFAP cu rezistene variabile pe reacie.

C4

U2

Dispozitive de eantionare i reinere. Utilizate mpreun cu CAN, DER asigur memorarea analogic a semnalului pe durata conversiei analog numerice. Principial, un DER conine o seciune de eantionare i una de memorare ilustrate n figura 2.21.

De la

calculator

U1

BC

KU2

CM

Fig. 2.21. Structura principial a unui DER

Funcioanrea DER are loc n douetape i anume:

obinerea informaiei, caracterizatde timpul de obinere T0;

memorarea informaiei, caracterizatde timpul de memorare TM.


Convertoare analog-numerice. CAN realizeaz conversia unui semnal din form analogic n form numeric n vederea prelucrrii ulterioare prin metode numerice.

Procesul prin care are loc aceast transformare constituie o clasificare a mrimii de intrare (uzual semnal n tensiune) ntr-un numr de clase sau canale distincte. Rezultatul conversiei este practic reprezentat de numrul canalului cruia i este repartizat valoarea respectiv.

Mrimea de intrare Ui este repartizatcanalului k dacea satisface relaia de apartenenla acest canal:

LkUiLk1(2.6)

n care Lk i Lk-1 sunt limitele superioare ale canalelor k, respectiv k-1. Diferena celor dou limite

U LkLk1(2.7)

constituie limea canalului.

Din cele prezentate, rezult c oricrei valori Ui care satisface relaia (2.6) i se ataeaz acelai numr de canal. Apare de aici ideea existenei unei erori inerente de cuantificare egal cu limea unui canal.

Determinarea numrului canalului N se face n baza relaiei:

N

Ui

U R

,(2.8)

n care UR reprezint o tensiune de referin. Uzual N se exprim n numr de cuante sau numr de uniti CAN (uCAN).

Indiferent de tipul CAN rezultatul conversiei este un cuvnt binar n structura cruia se evideniaz:

BSMin - bitul de semnificaie minim amplasat n extrema dreapt a cuvntului binar;

BSMax - bitul de semnificaie maxim amplasat n extrema stng a numrului binar.

Ca ponderi lui BSMax i corespunde 1/2 din domeniul de variaie

(diapazonul) al mrimii Ui iar lui BSMin i se asociaz reprezint 1/2n din acelai diapazon.

Dac n reprezint lungimea n bii a cuvntului convertit(rezoluia),

atunci numrul maxim de cuante (canale) va fi

Nmax2n1,(2.9)

iar valoarea unui canal se va obine:


n1

N ai2i,ai{0,1},(2.10)

i0

Cunoscnd valoarea tensiunii de referin UR i lungimea cuvntului

convertit n se poate determina limita maxim a domeniului tensiunii de intrare

n

Ui max (2 1) UR(2.11)

Considernd un canal identificat prin valoarea sa medie, rezult eroarea

inerent de cuantificare ca fiind U / 2, respectiv1/2BSMin.

N

111

110 Bsmin

101 100 011 010 001

000Ui

0.51.52.53.54.55.56.57.0* UR

C

Bsmin

- BsminUi

0.51.52.53.54.55.56.57.0* UR

Fig. 2.22. Caracteristica de transfer ideala unui CAN cu rezoluia de 3 bii: N - numr de cuante; Ui - tensiunea de intrare; UR - tensiunea de referin; c - eroarea de cuantificare.

Pe baza precizrilor anterioare, n figura 2.22 se prezint caracteristica ideal a unui CAN cu rezoluia de 3 bii i variaia a erorii inerente de

cuantificare. n afara erorii inerente de cuantificare, procesul de conversie mai poate fi nsoit de urmtoarele tipuri de erori :

- eroarea de decalaj a nulului (offset);

- eroarea de amplificare;

- eroarea de neliniaritate.


Determinarea biilor cuvntului convertit se poate face simultan sau succesiv. Pentru prima metod sunt semnificative CAN de tip paralel iar pentru a doua metod CAN cu reacie.

CAN de tip paralel determin toi biii reprezentrii numerice ca urmare a comparrii tensiunii de intrare cu niveluri prestabilite de tensiune. n figura 4.26 se prezint structura unui CAN paralel cu n = 2 bii.

3Uref /4

R

Uref

R

2Uref /4

R

Uref /4

R

Uin

Codificator

-Y3

-Y2

-Y1

Bit2 (BSMax)Bit1 (BSMin) Fig. 2.23. CAN paralel pe doi bii.

Dup cum se observ nivelurile prestabilite de tensiune sunt echidistante, diferena dintre acestea fiind egal cu limea canalului de conversie, respectiv BSMin. n tabelul 4.2 sunt evideniate ieirile comparatoarelor C1, C2, C3 funcie de valorile tensiunii Uin.

Tabelul 2.2

Valori logice asociate CAN pe doi bii

UinY3Y2Y1Bit2Bit1

0 Uref /400000

Uref /42 Uref /400101

2Uref /43 Uref /401110

3Uref /4 Uref11111


Din tabelul 2.2 rezult urmtoarele funcii logice pentru codificator:

Bit2 Y3Y2 1Y Y3Y2 1Y (Y3Y3)Y2Y1Y2Y1(2.12)

Bit1 Y3Y2Y1Y3Y2Y1 (Y3Y2Y3Y2)Y1(2.13)

n cazul general, pentru o rezoluie a CAN de n bii sunt necesare 2n-1 comparatoare. CAN paralel prezint avantajul rapiditii conversiei, dar odat cu creterea rezoluiei crete exponenial numrul de codificatoare i se complic logica de codificare.

CAN cu reacie asigur un compromis ntre viteza de conversie i simplitatea constructiv. La aceste CAN determinarea structurii cuvntului convertit se face prin comparaii succesive. Din aceast categorie se va prezenta succint n cele ce urmeaz unul din cele mai rspndite CAN i anume cel cu aproximaii succesive, a crui schem bloc se afl n figura 2.24.

Aa cum reiese din figur CAN funcioneaz n buclnchis, pe calea de reacie gsindu-se un convertor numeric analog (CNA). Acesta este comandat de un registru special numit registru cu aproximaii succesive (RAS). n momentul nceperii conversiei toi biii RAS sunt n starea 0 cu excepia BSMax care este prestabilit n starea 1. Cu aceast structura biilor, RAS comand CNA a crui tensiune UCNA este aplicat comparatorului C.

Configuraia biilor din RAS face ca prima comparaie a lui Uin s se efectueze cu Umax/2, ct reprezint n tensiune BSMax. Dac Uin > Umax/2, BSMax rmne 1, altfel este trecut n 0. La ciclul urmtor tensiunea generat de CNA va fi n primul caz 3Umax/4 iar n al doilea Umax/4. Procesul continu prin comparaii succesive ale tensiunii Uin cu aproximaii tot mai bune ale sale, pn cnd se determin BSMin.

RAS

Uin

Start Tact

+Intrar

-date

Registru deplasare

12n

BSMaxMin

Sfrit

conversie

Ieire serie

Ieire paralel

BS

UCNA

C N A

Fig. 2.24. Schema de principiu a unui CAN cu aproximaii succesive.

Umax


Uin

Da

110

7U

u in

Da

u in

100

UNu

6max

8

100

U

U maxNu 4

8

000

DaU maxNu

u in 68

110100

U

u in Da

111

max

uin

8

NuDa

110101

max

5 u in

8

NuDa

100011

maxmax

3uin U

88

NuDaNu

010001000

Fig. 2.25. Selectarea codului pentru un CAN cu aproximaii succesive cu n = 3 bii.

Astfel pentru conversia complet a unui semnal analogic ntr-un numr de n bii sunt necesare n comparri ale semnalului de intrare cu semnalul de reacie. Aceste n comparri mpreun cu ajustarea semnalului de reacie necesit n perioade de tact. Ajustarea semnalului de reacie presupune admiterea bitului k, dac semnalul de reacie pn la bitul k este mai mare dect semnalul de intrare i respingerea lui n caz contrar. n afara celor n perioade de tact menionate mai este necesar nc una pentru iniializarea RAS la nceputul conversiei.

La sfritul conversiei tensiunea de reaciei Ur care reprezint cea mai bun aproximaie a semnalului de intrare realizat cu n bii este :

n

UrU max i1

a i

iai {01(2.14)

2

Tehnica de selecie a biilor reiese din figura 2.25, unde s-a considerat un CAN cu rezoluia de 3 bii. Dup cum reiese din figura 2.25 stabilirea unei combinaii la ieire se realizeaz prin 3 treceri, alocarea canalelor fiind

prezentat n figura 2.26.

000001010011100101110111

012345678* Umax/8

Fig. 2.26. Alocarea canalelor pentru un CAN cu n = 3 bii.

46Achiziia i prelucrarea datelor

Avnd n vedere rolul deosebit al CAN n realizarea performanelor globale ale SADA, la alegerea CAN trebuie avute n vedere:

- domeniul semnalului de intrare;

- natura semnalului de intrare;

- durata admisibil a conversiei;

- rezoluia necesar;

- erorile admisibile maxime;

- tipul transmisiei semnalelor convertite (serie sau paralel).

O cerin important care se impune CAN este rezoluia. Referitor la acest parametru trebuie avut n vedere implicarea CAN ntr-un sistem de msurat a crui clas de precizie este dictat de elementul cu precizia cea mai sczut. Pornind de la aceste considerente se poate aprecia c o rezoluie de 12 bii este pe deplin satisfctoare pentru sistemele de achiziie industriale.

2.3.3. Subsistemul de achiziie a datelor numerice

Acest subsistem (SADN) asigur accesul pe magistrala de date a

sistemului a informaiei numerice referitoare n mod deosebit la starea procesului sau a unor diviziuni ale acestuia. Dac se utilizeaz traductoare cu ieirea numeric, SADN asigur preluarea informaiei numerice furnizate de acestea.

Un canal multiplu de achiziie a datelor numerice ndeplinete urmtoarele funcii: - colectarea i centralizarea informaiei din proces;

- selectarea liniilor de intrare i adaptarea la caracteristicile receptorului;

- transferul n memoria sistemului prin intermediul magistralei de date.

I11EPP1

M

I1mEPP1

U

X

In1EPPn

N

InmEPPn

RT

MD

BC

Fig. 2.27 Structura principiala unui SADN.

Datele pot fi preluate individual sau pe grupe de 8 sau 16 semnale funcie de lungimea cuvntului de date a sistemului de calcul. Semnalele pot fi pur


numerice (niveluri de tensiune, curent sau stri contacte) sau quasinumerice (durata sau frecvena unor impulsuri). Intrrile numerice pot fi statice, cnd sunt sesizate nivelurile sau dinamice, atunci cnd sunt sesizate tranziiile. Funciile prezentate ale SADN pot fi realizate de ctre structura din figura 4.30.

Ui

Ui

t

Ue

Formator

Uimin

U

Ue

t

UimaxUi

Fig. 2.28. Formarea impulsurilor n cadrul EPP.

Aceast structur permite achiziia a n grupe fiecare formatdin cte m parametri numerici. Elementele de jonciune asigur cuplarea fizic a liniilor numerice la SADN. Elementele de prelucrare primar EPP asigur adaptarea semnalelor numerice la cerinele multiplexorului numeric MUXN.

n vederea prentmpinrii aspectelor negative datorate fluctuaiilor nivelurilor semnalelor de intrare, n cadrul EPP se pot utiliza formatoare cu hysterezis (figura 2.28).

Dac informaia preluat din proces reprezint starea unor contacte, n structura EPP intr circuite pentru filtrarea oscilaiilor produse datorit imperfeciunii acestora (figura 4.32).

R

Ue

Vcc

Ue

t

Ue

Vcct

R

Fig. 2.29. Schem pentru filtrarea oscilaiilor mecanice.

O alternativ la filtrarea hardware o reprezint filtrarea software, prin

introducerea unor bucle de ntrziere n rutinele care prelucreaz informaia furnizat de contacte.


n urma prelucrrii primare semnalele numerice sunt aplicate MUXN, care pe baza unei adrese primite de la blocul de comand BC va selecta canalul al crui coninut urmeaz a se nscrie n registrul tampon RT comandat tot de ctre blocul de comand BC.

La realizarea SADN, o problem important o reprezint izolarea att fa de mediul extern ct i fa de calculator, o soluie larg utilizat fiind

cuplarea optic.

2.3.4. Probleme ce privesc conectarea interfeelor la proces

Performanele unui SADA sunt nemijlocit legate de maniera n care acesta este conectat la proces. Dupcum s-a vzut, n structura SADA intrelementele de jonciune care trebuie sprezinte o rezistende contact ct mai mic.

Legat de conectarea sistemului de interfala proces se pun urmtoarele probleme:

- rejecia erorilor de mod comun;

- reducerea zgomotului indus n circuitele de intrare;

- realizarea unei mpmntri corespunztoare .

Erorile de mod comun apar datorit faptului c potenialul masei traductorului difer de potenialul masei SADA, n situaia n care traductorul este conectat printr-un singur fir (figura 2.30)

TraductorVsVinSADA

GndTVgGndS

Fig. 2.30 Eroarea de mod comun n cazul conectrii monofilare:

Din figura2.30seobservcVin=Vs+Vg,Vg fiind

neglijabildactraductorul i SADA au punctele de masapropiate.

Intruct n condiii industriale Vg poate fi de ordinul zecilor sau chiar sutelor de V, o conectare de tipul celei din fig. 5.49 nu este posibildect n condiii de laborator. n industrie se utilizeaz n exclusivitate conectarea diferenial, prezentat n figura 2.31.

La modul ideal, conectarea diferenial este caracterizat de egalitatea tensiunilor Vg i Vin. n realitate, datorit distribuiilor neuniforme ale


impedanei i izolaiei liniilor de transmisie, ntre cele dou tensiuni apar diferene cunoscute sub numele de erori de mod comun.

TraductorVsVinSADA

GndTGndS

Fig. 5.50 Conectarea difereniala unui traductor

Pentru determinarea acestora, din motive legate de simplificarea calculelor se utilizeazn locul unei scheme cu parametrii distribuii, schema echivalentcu parametrii concentrai din fig. 5.51. Prin aplicarea teoremei

superpoziiei, n condiiile pasivizrii sursei Vs se obine:

(R1Rg2R2R V in

g1 )R S

cm (2.15)

RS(R2Rg2)(R1Rg1) R2Rg2(R1Rg1) R1Rg1(R2Rg2)V

Ordinele de mrime pentru rezistenele care intervin n relaia (2.25) sunt:

pnla1 k pentru R1 i R2 , zeci de M pentru Rs i sute de M pentru Rg1

i Rg2, astfel nct se poate aprecia cR2Rg2

Sisteme distribuite de semnalizare si control

Documents

Transcript of Sisteme distribuite de semnalizare si control