1.7.7. Стандарты информационного обмена в измери­тельных системах.

В встроенных системах существует проблема организации обмена инфор­мацией между платами ввода/вывода и компьютером, между отдельными платами, входящими в состав крейта. В системах управления техническими объектами или в информационно-измерительных системах все средства также должны быть объединены в единую информационную сеть. Причем эта сеть является общей как для средств измерения, так и для любых других устройств, входящих в указанные системы – компьютеров, контроллеров, ис­полнительных устройств. То есть должна быть обеспечена полная информа­ционная совместимость, которая выражается в том, что для всех элементов системы, или четко определенной группы элементов, принят единый стан­дарт информационного обмена - тип сети, системной шины контроллера, ин­терфейса и протоколы обмена. Средства измерений могут ис­пользоваться в сети Ethernet и с любыми промышленными сетями (ModBus, ProfiBus, Foundation Fielbus др.).

Подключение измерительных средств к информационным сетям имеет ряд особенностей, связанных с необходимостью передачи с высокой скоро­стью больших объемов высокоточной измерительной информации. При этом надо учитывать, что ошибка при передаче управляющих сигналов обычно может быть достаточно безболезненно исправлена системой обратной связи. В тоже время, ошибка при передаче измерительной информации в принципе не мо­жет быть обнаружена, что в итоге чревато некорректной работой всей сис­темы управления.

Поэтому идеальный стандарт подключения средств измерения к сети должен отвечать следующим требованиям:

• Полная помехозащищенность

• Исключение ошибок и потерь информации

• Высокая точность и скорость передачи информации

• Двунаправленность информационного обмена

• Работа в режиме «истинного» реального времени

Унифицированный сигнал 4 – 20 мА уже несколько десятилетий ши­роко используется для передачи аналоговых сигналов при создании автома­тизированных систем управления. Достоинством данного стандарта является простота его реализации, возможность помехоустойчивой передачи налого­вого сигнала на относительно большие расстояния. Однако, совершенно по­нятно, что в современных цифровых САУ он не эффективен. В измеритель­ных системах унифицированный сигнал 4-20 мА может использоваться только для передачи сигнала с датчика к вторичному преобразователю

HART - комбинированный протокол, который может одновременно рабо­тать с аналоговыми и цифровыми сигналами. В этом стандарте используется унифицированный аналоговый сигнал 4 – 20 мА, на который накладывается частотно-модулированный цифровой сигнал. Может работать при значитель­ной длине линий связи (до 3 км) и допускает параллельное подключение до 15 устройств. Физически представляет экранированную витую пару прово­дов. Отличается малой скоростью передачи информации.

Интерфейс RS-485, в отличии от RS-232, позволяет параллельной под­ключать до 32 устройств и может работать на достаточно длинную линию (до 1200 м). Однако он имеет сравнительно низкую скорость передачи дан­ных (10000 бит/с при длине линии 10 м) и относительно слабо помехозащи­щен.

USB-2.0 (Universal Serial Bus) последовательный интерфейс передачи дан­ных, которым оснащаются многие из современных измерительных при­боров. В отличии от RS-485 имеет большую скорость передачи данных (до 500 М бит/с для USB-2.0 и 4,5 Гбит/с (!) для анонсируемого USB-3.0) и лучше помехозащищен. Для многих измерительных приборов также очень важно, что через разъем USB возможно и подключение низковольтного электропитания (потребление до 500 мА для USB-2.0). Однако, стандарт USB не может обеспечить 100% точность передачи данных при высоких ско­ростях обмена, он разрабатывался прежде всего для передачи аудио и видео информации, где потеря нескольких бит информации практически незаметна. Сегодня стандарт USB -2.0 можено считать хорошим решением для систем, где не требуется высокая точность, быстродействие, работа в режиме «жест­кого» реального времени.

Ethernet и Intenet – с точки измерительных систем достоинства и недос­татки этих интерфейсов в целом аналогичны интерфейсу USB. Естественно, что при работе средств измерений в больших распределенных сетях эти ин­терфейсы сегодня практически не имеют альтернативы. .

В се указанные выше стандарты информационного обмена не в полной мере отвечают требования, которым они должны отвечать в высокоточных измерительных и измерительно-управляющих системах. Прежде всего, это определяется тем, что они не позволяют работать в режиме строгой времен­ной синхронизации всех процессов, т.е. реализовать режим «истинного ре­ального времени». Поэтому в высокоточных и быстродействующих измери­тельных и измерительно-управляющих системах ис­пользуется ряд специа­лизированных стандартов.

Исторически первым таким стандартом был стандарт CAMAC, который был разрабо­танный в 60-х годах XX века специально для связи ЭВМ с изме­рительной аппаратурой и построения систем автоматического сбора и обра­ботки ин­формации. Он включает стандартизацию на конструктивном (стан­дарт «Ев­ромеханика», рис.1.35), аппаратном (шины DataWay, HihtWay и др) и про­граммном уровнях. В настоящее время этот стандарт уже устарел. Прежде всего по­тому, что он трудно сопрягается с системными шинами современных компь­ютеров.

GPIB (General Purpose Interface Bus) или IEEE-488 —международный стандарт, описывающий интерфейс подключения к шине цифровых измери­тельных приборов. Аналогичный российский стандарт называется Ка­нал Общего Пользования (КОП), принцип работы которого определяется ГОСТОм как «Система интерфейса для измерительных устройств с байт-по­следовательным, бит-параллельным обменом информацией».

КОП является двунаправленным интерфейсом, допускающим подклю­чение до 31 устройства при максимальной скорости передачи данных до 8 МБ/с. Электрически КОП есть восьмибитная параллельная шина с отри­ца­тельной логикой, которая содержит 24 провода - шестнадцать сигнальных линий (восемь двусторонних используются для передачи данных, три — для установки соединения, пять — для управления шиной) плюс восемь обрат­ных проводов для земли. Соответственно разъем КОП имеют 24 контакта.

Стандарт КОП (GPIB) отлично помехозащищен, практически абсо­лютно надежен, имеет высокую скорость передачи информации. До недав­него времени КОПом оснащались практически все цифровые приборы, что позволяло достаточно просто включать их в общую измерительно-информа­ционную систему. Однако, стандарт GPIB, как и САМАС, были разработаны в 60-х годах. Поэтому его использование в современных компьютерных сис­темах и сетевых технологиях вызывает большие проблемы.

Дальнейшее развитие стандарт GPIB получил в шинах VXI и PXI, на основе которых строятся современные высокоточные и модульные измери­тельные системы.

VXI (Vme eXtention for Instrumentation) - стандарт, который объединил идеологию GPIB и шину VME, предназначенную для объединения боль­шого числа уст­ройств, работающих в режиме реального времени. Этот стандарт в основ­ном используется при создании крупных измерительно-информационных систем, может работать с несколькими сотнями отдель­ных устройств и большими базами данных. Это связано, в частности и с тем, что шина VME первоначально разрабатывалась под операционную систему UNIX и предназначалась для военных применений..

PXI (Pc eXtention for Instrumentation) – стандарт для сравнительно не­больших (до нескольких десятков устройств) измерительных систем, ко­торый разработан на базе идеологии GPIB и системной шины CompactPCI. Эта шина широко используется в промышленной автоматике и по своим характеристикам и элементной базе близка к стандартной шине персональных компьютеров (PCI). Основ­ное ее отличие в том, что она по­зволяет подключить большее число уст­ройств. и позволяет использовать «горячее подключение» плат — то есть устанавливать и извлекать плату, не прерывая работоспособности компью­тера.

LXI (LAN eXtensions for Instrumentation) представляет новое поколе­ние интерфейсов для измерительных систем и опирается на все возмож­ности технологий Ethernet и Internet. В этом стандарте (IEEE 1588) уст­ройства, входящие в состав системы подключаются через локальную сеть, причем в LXI предусмотрены адаптеры практически для всех сущест­вующих интерфейсов и протоколов. Интерфейс LXI характеризует не­сколько принципиальных отличий от всех других стандартов.

• Высокая скорость передачи информации (до 10Гбит/с)

• Гибкость в выборе среды передачи информации, возможность приме­нения проводной связи, волоконной оптики, радиоканала

• Независимость от аппаратной платформы, стандарт не предусматри­вает ограничений на размеры элементов системы, свойственных GPIB, PXI и VXI.

• Наличие двух режимов работы с устройствами системы - программ­ного и интерактивного с использованием стандартного Web-браузера

• Возможность «истинно реального времени», т.е. точной временной синхронизации работы всех устройств системы.

Основой стандарта LXI являются стандарты локальных сетей (LAN). Однако, LXI не просто модификация сетевых стандартов, а принципи­ально новый интерфейс, определяющий пять уровней совместимости: фи­зический интерфейс, интерфейс Ethernet, программный интерфейс, WEB интерфейс и синхронизация. Так используя устройства LXI (IEEE-1588) способны обеспечивать временную синхронизацию различных устройств с точностью не хуже ±100 нс. В стандарте LXI управление системой можно вести непосредственно из Web-браузера.

Основные требования, выдвигаемые перед LXI приборами: экономич­ность, компактность, простота работы, возможность изменения конфигу­рации, а так же высокая производительность. Поэтому они, как правило, выполняются модульными, без органов управления и дисплея на передней панели, используют автономный источник питания и встроенную систему охлаждения и должны иметь драйвер виртуального прибора. Разъёмы для входных и выходных сигналов располагаются на лицевой панели модулей, в то время как интерфейс локальной сети (IEEE 802.3), разъёмы питания и шины синхронизации расположены на задней панели. Все модули имеют стандартные габариты для установки в 19” стойках или крейте.

Можно уверенно предполагать, что приборы с интерфейсом LXI будут использоваться нее только там, где сейчас используются интерфейсы GPIB, VXI и PXI, но и значительно шире - в испытательных системах, в средствах контроля и управления. Причем речь идет не только о стандарте интерфейса передачи данных, но и значительно шире - о создании приборов нового поколения. Главными об­ластями применения систем на базе стандарта LXI являются автоматизи­рованные измерительные комплексы, системы удаленного сбора данных и контроля производственным процессом, робототехника и многие другие.

.