Автоматизированные системы для
научных исследований

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

Основные тенденции и направления развития автоматизированных систем для научных исследований.

Литература

1. Певчев Ю.Ф., Финогенов К.Г. Автоматизация физического эксперимента: Учеб. пособие. - М.: Энергоатомиздат, 1986.
2. Советов Б.Я. АСУ. Введение в специальность: Учеб. пособие.- М.: Высшая школа, 1989.
3. 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.
4. Сопряжение датчиков и устройств ввода данных с компьютерами IBM PC: Пер. с англ. / Под ред. У. Томпкинса, Дж. Уэбстера. - М.: Мир, 1992.
5. Балашов Е.П., Григорьев В.Л., Петров В.А. Микро- и мини-ЭВМ: Учеб. пособие.- Л.: Энергоатомиздат, 1984.
6. Григорьев В.Л. Микропроцессор i486. Архитектура и программирование (в 4-х книгах). Книга 1. Программная архитектура. - М.: ГРАHАЛ, 1993.
7. Гук М. Аппаратные средства IBM PC. - СПб.: Питер Ком, 1998, 2002, 2006.
8. Финогенов К.Г. Программирование измерительных систем реального времени. - М.: Энергоатомиздат, 1990.
9. Hауман Г., Майлинг В., Щербина А. Стандартные интерфейсы для измерительной техники: Пер. с нем. - М.: Мир, 1982.
10. Эрглис К.Э. Интерфейсы открытых систем. - М.: Горячая линия - Телеком, 2000.
11. Ершова Н.Ю., Ивашенков О.Н., Курсков С.Ю. Архитектура микропроцессорных систем: Учебное пособие. Петрозаводск: Изд-во ПетрГУ, 2001.
12. Ершова Н.Ю., Ивашенков О.Н., Курсков С.Ю. Микропроцессоры. Петрозаводск, 2002.

Дополнительная литература

1. Таненбаум Э. Архитектура компьютера. 4-е изд. - СПб.: Питер, 2003.
2. Смирнов А.Д. Архитектура вычислительных систем. - М.: Наука, 1990.
3. Мячев А.А., Степанов В.Н. Персональные ЭВМ и микроЭВМ. Основы организации. - М.: Радио и связь, 1991.
4. Гук М. Аппаратные интерфейсы ПК. Энциклопедия. - СПб.: Питер, 2002.
5. Задков В.H., Пономарев Ю.В. Компьютер в эксперименте: Архитектура и программные средства систем автоматизации. - М.: Hаука, 1988.
6. Курочкин С.С. Системы КАМАК-ВЕКТОР.- М.: Энергоиздат, 1981.
7. Виноградов В.И. Информационно-вычислительные системы. Распределенные модульные системы автоматизации. - М.: Энергоатомиздат, 1986.
8. Цапенко М.П. Измерительные информационные системы: структуры и алгоритмы, схемотехническое проектирование: Учеб. пособие для вузов. - М.: Энергоатомиздат, 1985.
9. Аш Ж. и др. Датчики измерительных систем: В 2-х кн. Кн. 1 / Пер. с фр. - М.: Мир, 1992.
10. Аш Ж. и др. Датчики измерительных систем: В 2-х кн. Кн. 2 / Пер. с фр. - М.: Мир, 1992.
11. Розанов Л.Н. Вакуумная техника: Учеб. для вузов. - М.: Высшая школа, 1990.
12. Ан П. Сопряжение ПК с внешними устройствами. - М.: ДМК Пресс, 2001.

Составил ст. преподаватель КИИСиФЭ Курсков С.Ю.