- •«Методы научных исследований»
- •Часть 2
- •Содержание
- •Применение вычислительной техники в научных исследованиях
- •Классификация вычислительных устройств:
- •Применение вычислительных устройств в науке
- •История развития компьютерных технологий
- •Формы представления данных
- •Этапы развития вычислительной техники
- •Принцип работы вычислительных устройств
- •Методы ввода / вывода данных в ву
- •Запись из процессора в устройство
- •Чтение устройством из процессора
- •Построение информационно – вычислительных систем для научных исследований
- •Варианты реализации информационно-вычислительных систем
- •Интерфейсы
- •Типы устройств ввода/вывода
- •Характеристики устройств ввода/вывода
- •Устройство гальванической развязки
- •Оптические гальванические устройства
- •Методы защиты сигналов от помех
- •Способы построения дифференциальных линий.
- •Работа вычислительных устройств
- •Режим работы в реальном времени.
- •Режим отложенной обработки.
- •Устройство аналогового ввода данных
- •Погрешности преобразования.
- •Требования к ацп
- •Методы ацп
- •Параллельное преобразование.
- •Весовой метод.
- •Метод двойного интегрирования.
- •Виртуальные приборы
- •Уникальные пользовательские измерительные приборы.
Варианты реализации информационно-вычислительных систем
Система с интегрированными в ПК устройствами ввода/вывода:
Система, использующая в качестве устройств ввода/вывода звуковую карту ПК. Частота оцифровки fmax = 44100Гц (голубой).Встроенная звуковая карта позволяет оцифровать сигнал с максимальной частотой 2 (левый и правый канал). Через линейный вход (голубой) – 2, микрофонный вход – 1, 16 разрядов. Данное устройство можно использовать для ввода/вывода низкочастотных сигналов. С хорошим качеством до 5 кГц, нормальном качеством – 10 кГц, плохим – 22 кГц.
С применением специализированных карт (плат) ввода/вывода информации, устанавливаемых в слот на материнской плате ПК. Современный слот (PCI) – белого цвета, старый (ISA).
Системы с внешним устройством ввода/вывода данных.
LPT, COM, USB
N внешних входов подключается к АЦП через мультиплексор сигналов (MS). На MS поступает код номера входного канала в соответствии с которым подключается канал к входу АЦП. Частота оцифровки:
Пример:
Пусть n = 8
fmax = 1*106 Гц
f = 1*106/8 = 125*103 Гц
Интерфейсы
Интерфейсы – это устройство, позволяющее производить обмен данными между источником и приемником.
Параллельный интерфейс.
Представляет собой n – разрядную шину, по которой параллельно вводятся или выводятся данные по линиям связей, каждая из которых имеет свой вес. По n-разрядной шине производится обмен данными между источником и приемником.
Допустим данные вводятся в ВУ из АЦП, тогда АЦП – источник, ВУ – приемник. Сигнал CS выбирается при совпадении адреса на ША установленного процесса и адреса присвоенного порту или устройству с которым происходит обмен данными. Устройства, адреса которых не совпадают с адресом устройств на ША, находятся в нейтральном состоянии («отдыхают»). Данные устанавливаются на ШД одновременно.
Данные маркируются по разрядам. В каждый разряд можно записать либо 0, либо 1. Номер разряда соответствует его весу. При объединении 4-х разрядов в 1-н знак, получим младший и старший разряд. Для того, что бы записать в разряд число, нужно сложить значение старшего и младшего разряда.
D0 │ 0/1 |
D1 │ 0/1 |
D2 │ 0/1 |
D3 │ 0/1 |
D4 │ 0/1 |
D5 │ 0/1 |
D6 │ 0/1 |
DN │ 0/1 |
dex |
hex |
20 |
21 |
22 |
23 |
24 |
25 |
26 |
2N-1 |
||
1 |
2 |
4 |
8 |
16 |
32 |
… |
… |
||
Младший разряд |
Старший разряд |
|
|
К параллельному интерфейсу относятся: внутренние шины (адресов, данных), интерфейс для принтера, для подключения внешних устройств, таких как ISA, PCI, AGP, LPT.
Достоинство: высокая скорость передачи информации.
Недостаток: Ограниченная длина линии связи, подверженность воздействию внешних помех, скорость передачи информации ограничена внутренней шиной.
Параллельные интерфейсы используются для обмена данными внутри ПК и внешним устройством, находящихся на небольшом расстоянии (LPT ~ 3м).
Если скорость обмена данными между процессором и внешним устройством не соответствует скорости, на которой работает процессор, используют буферезацию.
Буфер – это память, которая может обмениваться данными на скорости, соответствующей скорости внешнего устройства (заполнение буфера) и впоследствии обмениваться данными между буфером и процессором на скорости процессора.
Пример буферов: КЭШ память, буферная память в составе устройств ввода/вывода данных (платы с АЦП, видеокарты).
Последовательный интерфейс.
Данные передаются последовательно по одному проводу. К последовательным интерфейсам относятся: COM- порт, USB, PC/2 (мышка, клавиатура). Можно связывать между собой только два устройства.
Последовательные синхронные интерфейсы (ПСИ) – для передачи данных используются кроме линии данных линии тактовых импульсов (сигналов).
Чтение запись данных производится по фронту тактового импульса (-импульса синхронизации обмена данными).
Если к линии данных подключено более одного устройства, то выбор устройства, с которым производится обмен данными осуществляется специальным сигналом CS.
К этим интерфейсам относится: SPI, I2C
Эти интерфейсы применяются для обмена данными внутри ВУ, содержащих в своем составе микроконтроллер и некоторую периферию (АЦП, ЦАП, датчик температур) внутри прибора.
Последовательный асинхронный интерфейс (ПАН)
В составе ПАН нет сигналов синхронизации (нет CLK (тактовых сигналов)). Обмен данными осуществляется последовательной установкой на линию данных битов данных на равные интервалы времени.
● Последовательные асинхронные полудуплексные интерфейсы
RxD – приемник,
TxD – передатчик.
Через равные интервалы времени передается состояние одного и того же разряда. В данном типе интерфейсов при передаче данных могут участвовать только 2 устройства (приемник и пердатчик).
– стартовый импульс (синхронизирует процесс передачи);
– передается байт данных (количество передаваемых бит 5-8);
– передается служебная информация (бит проверки на четность);
– стоповые биты (минимум 2) – разделительные биты между последовательно передаваемыми посылками.
3+4 – служебные биты
Бит проверки на четность применяют для исключения случайных ошибок (значение бита равно 1 или 0 в информативном такте, значение устанавливается таким, чтобы общее число единиц было четным).
Если в байте три единицы, то бит четности = 1, если 6, то бит четности =0.
Стоповые биты определяют минимальный интервал времени между соседними посылками. Их может быть 1 или 2 в зависимости от принятого протокола обмена данными. Если посылка данных осуществляется через интервал времени больший чем интервал стоповых битов, то это не приводит к сбою передачи данных по интерфейсу, если меньше, то приводит.
Скорость передачи данных измеряется в [бод]. (1 бод = 1 бит/с).
Достоинства:
- для передачи данных требуется минимум проводов,
- хорошо работает на длинных дистанциях.
- проще сама реализация интерфейса.
Недостаток:
- т.к. данные идут последовательно, длина линии связи может составлять до сотен метров;
- скорость передачи данных меньше, чем у параллельного интерфейса (эту проблему можно решить за счет длительности тактов)
Использовался в первых телеграфных релейных линиях связи.
● Последовательные асинхронные дуплексные интерфейсы
Дуплексный режим – одновременно информация передается в обе стороны. Источник и приемник имеют разные приоритеты.
Промышленный интерфейс RS-485 (Дуплексный режим)
Этот интерфейс позволяет подключать в одной ШД несколько устройств.
Master – означает что компьютер первым посылает запрос по линии связи RS-485, содержащей адрес устройства с которым будет вести обмен данными. Все устройства принимают этот запрос находясь в режиме ожидания, и то устройство адрес которого совпадает с заданным ПК номером принимает или передает данные в соответствии с установленным протоколом обмена данных.
Как правило все устройства - исполнительные механизмы.
RS-422 (Полудуплексный режим)
tком > tуп
tком – время посылки между командами
tуп – время передачи данных любого из устройств (длительность ответа n-го устройства для исключения конкуренции сигналов по линии передачи данных).
Для преобразования сигналов служат специализированные преобразователи. Устройства преобразования сигналов интерфейсов RS-422, RS-485 имеют в своем составе гальваническую развязку. Передача данных по линиям интерфейсов RS-422, RS-485 осуществляется по 2-м проводам с использованием дифференциальной линии связи для уменьшения влияния внешних проводов.
Data+ Data- |
Rs-485 |
TxD+ TxD- RxD+ RxD- |
RS-422 |
Длина линии связи может достичь до 1 км с использованием стандартного устройства преобразования.