2.1 Обобщённая структура ИИС

Варианты структур отличаются в основном организацией передачи информа­ции. В зависимости от организации сбора измерительной ин­формации выделяются структуры: одноканальная, многока­нальная, мультиплицированная, многоточечная, сканирую­щая. При современном уровне цифровой вы­числительной техники все эти структуры с функциональной точки можно рассматривать как частный случай обобщен­ной структуры., приведенной на рис.

ИО описывается физическими величинами. Но­менклатура измеряемых величин определяется заказчиком (пользователем) ИИС, исходя из физических представлений об объекте. Эти величины могут быть одинаковыми, например пространственные координаты. Среди них могут быть одно­типные, например электрические (напряжение, сила тока, со­противление и др.).

Первичные измерительные преобразователи (ПИП), или датчики, преобразуют величины x n в электрические величи­ны y n (напряжение, ток, сопротивление, емкость, индуктив­ность и др.). Датчики являются обязательными компонента­ми ИИС. Вид датчика в первую очередь определяется видом преобразуемой величины.

Вспомогательным устройством в ИИС является базирую­щее устройство, с которым могут быть связаны ИО и первич­ные преобразователи. Вид базирующего устройства определя­ется видом ИО и необходимыми воздействиями на него в про­цессе измерения. Базирующее устройство может быть простым механическим приспособлением для установки датчиков. Та­кими простейшими устройствами являются, например, ме­теорологическая будка, элементы крепления измерительных микрофонов или датчиков ионизирующих излучений и др.

Величины выдаваемые первичными преобразователя­ ми, подаются на вторичные измерительные преобразователи (ВИП), которые преобразуют их в напряжения U. Вторичные преобразователи в некоторых каналах могут отсутствовать, если выходной величиной датчика является напряжение, уровень которого достаточен для аналого-цифрового преобра­зования. В ряде случаев вторичный преобразователь, каж­дый из которых на рис. обозначен как единое целое, мо­жет представлять собой каскадное соединение нескольких вторичных преобразователей, например моста переменного тока, усилителя и фазового детектора.

Вид вторичного преоб­разователя определяется только видом величины у. Поэтому в каналах измерения физически различных величин могут использоваться одинаковые вторичные преобразователи, ес­ли выходные величины датчиков одинаковы. Конструктивно вторичные преобразователи могут быть совмещены с первичными преобразователями или выполне­ны в виде отдельных плат (устройств). В состав вторичных преобразователей могут входить простейшие вычислитель­ные устройства, например для введения поправок или для линеаризации характеристик (так называемые интеллекту­альные датчики).

Напряжения U поступают на аналого-цифровые преоб­ разователи (АЦП), где преобразуются в цифровые коды С р подаваемые на ЭВМ. По выполняемым функциям АЦП в принципе можно отнести к вторичным преобразователям, что, как мы увидим ниже, реализуется иногда конструктив­но. Однако они выделены в отдельные функциональные бло­ки в силу следующих обстоятельств:

АЦП, как это отражено на рис., в отличие от дру­гих преобразователей, работают под управлением ЭВМ, обес­печивающей необходимый алгоритм сбора первичной ин­формации; АЦП, как и датчики, в отличие от других вторичных преобразователей, являются обязательными компонентами каждого канала.

АЦП могут быть индивидуальными для каждого канала, однако чаще один АЦП используется для всех или нескольких каналов, работая в мультиплексном режиме. При реализации этой схемы коммутатор по командам ЭВМ подает на АЦП сигнал соответствующего канала, и с АЦП, также по запросу ЭВМ, выдается код. В этом случае аппаратно присутствует только один АЦП, однако для ана­лиза выполняемых функций, оценки погрешностей и т. д. по-прежнему удобнее пользоваться обобщенной схемой. Единственный момент, который следует учитывать при пе­реходе к мультиплексной схеме, это время передачи ин­ формации на ЭВМ. Однако, учитывая быстродействие совре­менных АЦП и ЭВМ, этот момент в подавляющем большин­стве случаев не имеет существенного значения.

Для некоторых измерительных преобразователей, на­ пример кодовых или импульсных, функции АЦП выполня­ют сами первичные или вторичные преобразователи. Это не нарушает общего характера рассматриваемой структурной схемы, поскольку она носит функциональный характер, и входящие в нее элементы могут быть конструктивно объеди­нены. АЦП является в этом отношении самым ярким приме­ ром. Он может быть самостоятельным элементом, может входить в состав первичных или вторичных преобразовате­лей, а также в виде отдельных плат конструктивно может быть размещен в составе ЭВМ.

Каналы связи между элементами ИИС могут иметь раз­ личный характер. Для ИИС, распределенных в пространстве, могут ис­ пользоваться радиоканалы или волоконно-оптическая связь. В этих случаях один канал связи может служить для переда­чи информации от разных первичных преобразователей, ес­ли они локально сосредоточены, то есть каналы связи, как и АЦП, могут функционировать в мультиплексном режиме.

Последовательность преобразователей (ПИП, ВИП, если они есть, и АЦП) и каналов связи, обеспечивающая преобра­зование измеряемой физической величины в цифровой код, называется измерительным каналом (ИК). Другими слова­ми, измерительный канал это вся совокупность техниче­ских средств, преобразующих измеряемую величину в код, поступающий в ЭВМ. Как видно из вышесказанного, общим для разных ИК могут быть АЦП, каналы связи и иногда вто­ричные преобразователи.

Понятие ИК отражает сущность выполнения измерений в ИИС. Оно необходимо для анализа погрешностей измерения и организации метрологического обеспечения. Однако конст­руктивно различные элементы канала могут быть объедине­ны в единое устройство. Например, измерительным каналом является кодовый датчик угла, преобразующий измеряемый угол в параллельный код. В качестве измерительных каналов могут использоваться электронные измерительные приборы, имеющие цифровой выход (цифровые вольтметры, частото­меры, весы и др.).

Коды, выдаваемые АЦП, подаются для обработки на вход ЭВМ, в качестве которой может использоваться персональный компьютер (ПК) или специализированное микропроцессор­ное вычислительное устройство. Цель обработки определяет­ся функциональным назначением ИИС. Обработка первичной информации производится в соответствии с заложенным в ЭВМ программно-математическим обеспечением (ПМО). ПМО является не менее важным функциональным компонентом ИИС, чем аппаратные составляющие. При этом ПМО и бази­рующее устройство являются наиболее специфичными, наи­более «индивидуальными» элементами каждой ИИС.