|
Автоматизированные системы для научных исследований
(32 ч. лекций, 32 ч. лабораторных занятий)
Цели и задачи курса
Целью данного курса является обучение студентов основам построения
автоматизированных систем для научных исследований.
В результате изучения дисциплины студенты должны:
- знать основные структуры и виды обеспечений автоматизированных систем,
типы и характеристики первичных измерительных преобразователей,
структуру ЭВМ и организацию обмена данными с внешними устройствами, архитектуру и
алгоритмы функционирования универсальных измерительных интерфейсов;
- уметь разработать автоматизированную систему на базе стандартного
приборного интерфейса (КАМАК и КОП), выбрать необходимые технические
и программные средства, разработать алгоритмы измерения и обработки
данных, отладить программное обеспечение создаваемой системы.
Введение
Роль автоматизации в современном физическом эксперименте. Структура,
содержание и задачи курса "Автоматизированные системы для научных
исследований", его связь с другими дисциплинами.
1. Основные понятия и определения
Автоматизированная система, объект исследования, исполнительная, информационная
и вычислительная подсистемы. Квантование непрерывного сигнала. Аналого-цифровые
и цифро-аналоговые преобразователи. Примеры автоматизированных систем для
научных исследований.
2. Структуры и виды обеспечений автоматизированных систем для научных исследований
Основные структуры систем автоматизации научных исследований.
Виды обеспечений АСHИ (организационное, информационное, математическое, техническое, программное, лингвистическое, метрологическое, правовое и эргономическое).
Технические средства автоматизации эксперимента. Программное обеспечение. Структура управляющей программы.
3. Датчики автоматизированных систем
Классификация датчиков и основные требования к ним. Статические и динамические характеристики.
Схемы включения измерительных преобразователей (последовательные, дифференциальные, компенсационные и логометрические).
Датчики линейных и угловых перемещений (потенциометрические, индуктивные, трансформаторные и емкостные). Схемы включения, функции преобразования и погрешности.
Датчики температуры (термопары и терморезисторы). Основные погрешности и способы их уменьшения.
Датчики сил и механических напряжений (тензометрические, магнитоупругие и пьезоэлектрические). Схемы включения, функции преобразования и погрешности.
Фоточувствительные датчики (с внешним фотоэффектом, внутренним фотоэффектом и тепловые преобразователи).
Схемы включения ФЭУ. Режим счета фотонов. Амплитудное распределение импульсов. Счетная характеристика.
Использование фотоэлектрических датчиков для измерения несветовых величин.
Датчики давления (тепловые преобразователи, электронные ионизационные и магнитные электроразрядные датчики).
4. Структура ЭВМ
Принципы организации ЭВМ. Структура ЭВМ с магистральной шиной.
Процессор. Устройство управления. Арифметико-логическое устройство.
Регистры общего и специального назначения. Регистр состояния процессора. Форматы
команд и режимы адресации. Цикл команды. Алгоритм работы процессора.
Система памяти. Иерархия, особенности подсистем. Адресная, стековая и
ассоциативная память. Сегментация памяти в процессорах Intel х86.
Формирование физического адреса в R- и P-режимах. Страничное преобразование
адреса.
Системный интерфейс. Адресная шина. Шина данных. Шина управления. Шинные структуры, используемые в микропроцессорных вычислительны системах. Общая характеристика шин ISA, EISA, MCA, VLB, PCI и PCI-E.
Структура персонального компьютера на базе чипсетов i8xx, i9xx, iX38 - iZ87.
Особенности организации промышленных компьютеров.
5. Обмен данными с внешними устройствами ЭВМ
Структура контроллера ВУ. Адресуемые регистры контроллера. Алгоритм взаимодействия контроллера ВУ с системным интерфейсом. Квитирование.
Программно-управляемый режим обслуживания внешних устройств.
Обслуживание внешних устройств в режиме прерываний. Типы прерываний. Процедура обработки
запросов от внешних устройств. Способы идентификации ВУ, запросивших обслуживания.
Организация векторной системы прерываний в ПК на базе микропроцессоров Intel х86.
Обмен данными с внешними устройствами ЭВМ в режиме прямого доступа к памяти. Способы организации ПДП. Стандартный ПДП на шине ISA.
Организация обмена данными на системной шине. Циклы шины. Временные диаграммы циклов передач на шине ISA.
6. Системы сопряжения ЭВМ с объектом автоматизации. Система КАМАК
Системы КАМАК, COMPEX, FASTBUS, VME, VXI, FUTUREBUS+, PXI, SCI и LXI (основные преимущества и недостатки).
Интерфейсная шина с байт-последовательным, бит-параллельным обменом информацией.
Основы системы КАМАК. Механический, электрический и логический стандарты.
Магистраль крейта КАМАК. Шины магистрали и сигналы. Временные диаграммы циклов магистрали крейта.
Контроллер крейта КАМАК для ЭВМ с системным интерфейсом "Общая шина". Структура контроллера крейта. Программно-доступные регистры контроллера и их организация. Обработка L-запросов в крейте. Адресация регистров контроллера и функциональных модулей.
Плата сопряжения контроллера крейта с шиной ISA (АПЭКС-5). Порты устройства для доступа к регистрам контроллера и регистрам функциональных модулей крейта.
Основы программирования системы КАМАК. Обмен данными с регистрами контроллера крейта. Обмен данными с регистрами функциональных модулей.
7. Интерфейсная шина с байт-последовательным, бит-параллельным обменом информацией (КОП)
Структура и назначение шин КОП. Адреса и команды.
Алгоритм работы устройств на шине. Временная диаграмма цикла передачи данных. Обработка запросов на обслуживание.
Развитие стандарта IEEE-488. Скоростной способ передачи данных HighSpeed 488.
Заключение
Литература
- Певчев Ю.Ф., Финогенов К.Г. Автоматизация физического эксперимента: Учеб. пособие. - М.: Энергоатомиздат, 1986.
- Советов Б.Я. АСУ. Введение в специальность: Учеб. пособие.- М.: Высшая школа, 1989.
- Измерение электрических и неэлектрических величин: Учеб. пособие / H.H. Евтихиев, Я.А. Купершмидт, В.Ф. Папуловский, В.H. Скугоров; Под общ. ред. H.H. Евтихиева. - М.: Энергоатомиздат, 1990.
- Сопряжение датчиков и устройств ввода данных с компьютерами IBM PC: Пер. с англ. / Под ред. У. Томпкинса, Дж. Уэбстера. - М.: Мир, 1992.
- Балашов Е.П., Григорьев В.Л., Петров В.А. Микро- и мини-ЭВМ: Учеб. пособие.- Л.: Энергоатомиздат, 1984.
- Григорьев В.Л. Микропроцессор i486. Архитектура и программирование (в 4-х книгах). Книга 1. Программная архитектура. - М.: ГРАHАЛ, 1993.
- Гук М. Аппаратные средства IBM PC. - СПб.: Питер Ком, 1998, 2002, 2006.
- Финогенов К.Г. Программирование измерительных систем реального времени. - М.: Энергоатомиздат, 1990.
- Hауман Г., Майлинг В., Щербина А. Стандартные интерфейсы для измерительной техники: Пер. с нем. - М.: Мир, 1982.
- Эрглис К.Э. Интерфейсы открытых систем. - М.: Горячая линия - Телеком, 2000.
- Ершова Н.Ю., Ивашенков О.Н., Курсков С.Ю. Архитектура микропроцессорных систем: Учебное пособие. Петрозаводск: Изд-во ПетрГУ, 2001.
- Ершова Н.Ю., Ивашенков О.Н., Курсков С.Ю. Микропроцессоры. Петрозаводск, 2002.
Дополнительная литература
- Таненбаум Э. Архитектура компьютера. 4-е изд. - СПб.: Питер, 2003.
- Смирнов А.Д. Архитектура вычислительных систем. - М.: Наука, 1990.
- Мячев А.А., Степанов В.Н. Персональные ЭВМ и микроЭВМ. Основы организации. - М.: Радио и связь, 1991.
- Гук М. Аппаратные интерфейсы ПК. Энциклопедия. - СПб.: Питер, 2002.
- Задков В.H., Пономарев Ю.В. Компьютер в эксперименте: Архитектура и программные средства систем автоматизации. - М.: Hаука, 1988.
- Курочкин С.С. Системы КАМАК-ВЕКТОР.- М.: Энергоиздат, 1981.
- Виноградов В.И. Информационно-вычислительные системы. Распределенные модульные системы автоматизации. - М.: Энергоатомиздат, 1986.
- Цапенко М.П. Измерительные информационные системы: структуры и алгоритмы, схемотехническое проектирование: Учеб. пособие для вузов. - М.: Энергоатомиздат, 1985.
- Аш Ж. и др. Датчики измерительных систем: В 2-х кн. Кн. 1 / Пер. с фр. - М.: Мир, 1992.
- Аш Ж. и др. Датчики измерительных систем: В 2-х кн. Кн. 2 / Пер. с фр. - М.: Мир, 1992.
- Розанов Л.Н. Вакуумная техника: Учеб. для вузов. - М.: Высшая школа, 1990.
- Ан П. Сопряжение ПК с внешними устройствами. - М.: ДМК Пресс, 2001.
Составил ст. преподаватель КИИСиФЭ Курсков С.Ю.
|