|
13. Измерительно-информационные модули. Структурная схема передачи
и обработки информации в мехатронных системах
Управление мехатронными системами должно осуществляться на основании
достоверной, полной и своевременной информации.
В дальнейшем мехатронная система будет рассматриваться с позиции
анализа информационных систем, т. е. систем, осуществляющих сбор, передачу,
обработку,
хранение
и
представление
информации
с
применением
вычислительной техники (рис. 13.1).
Сбор информации в мехатронных системах начинается с использования
датчиков. В общем случае датчик выполняет набор преобразований над сигналом
(или совокупностью сигналов), вырабатываемых сенсором.
Рис. 13.1. Модель измерения физических величин
29
Основной задачей сенсора является преобразование измеряемой (в данном
случае не различаем понятия «измерение» и «оценка») величины в электрический
сигнал. То есть, сенсор является Х-электрическим преобразователем. Например,
известная корейская фирма Murata производит электронные устройства –
акселерометры, предназначенные для использования в качестве сенсоров
ускорения и использующие пьезоэлектрический эффект.
Электрический сигнал, получаемый с сенсора, далее проходит ряд
преобразований. Прежде всего, выходной сигнал сенсора усиливается, в
некоторых случаях нормируется или компандируется, фильтруется и
преобразовывается в цифровую форму.
Усиление выходного сигнала сенсора необходимо для того, чтобы привести
его уровень (напряжение или силу тока) к величине, удобной для дальнейшего
использования.
Операция нормирования используется в тех случаях, когда абсолютное
значение измеряемой величины не важно, а необходимо оценивать ее изменение.
В тех случаях, когда диапазон изменения измеряемой величины составляет
несколько (три и более) декад, применяется операция компандирования.
Компандирование является нелинейной операцией, сужающей динамический
диапазон сигнала.
Следующей типовой операцией по преобразованию выходного сигнала
сенсоров является фильтрация. Фильтрация – выделение (подчеркивание)
некоторых характеристик, которые, как считается, должны присутствовать в
выходном сигнале сенсора. Чаще всего фильтрация применяется для «очистки»
выходного сигнала сенсора от помех.
До сих пор сигнал с выхода сенсора, проходящий ряд функциональных
преобразований, рассматривался как непрерывная функция времени. Такие
сигналы принято называть аналоговыми. Использование аналоговых сигналов в
цифровых вычислительных системах требует введения еще нескольких
функциональных преобразований.
Первый вид преобразования, приближающего аналоговый сигнал к цифровым
системам, носит название дискретизация по времени.
Иными словами, дискретизированный сигнал представляется в виде набора δ-
импульсов, равномерно распределенных по оси времени с шагом,
пропорциональным частоте дискретизации. Причем площадь (энергия) δ-
импульсов пропорциональна величине исходного (аналогового) сигнала в
соответствующие моменты времени.
Другое направление приближения аналоговых сигналов к цифровым системам
заключается в квантовании сигналов по уровню.
Шаг квантования является основной характеристикой операции и соответствует
расстоянию между соседними уровнями квантованного сигнала (шаг может быть
как постоянным, так и переменным, зависящим от уровня аналогового сигнала).
Операции дискретизации по времени и квантования по уровню обычно
совмещают с целью получения цифровых сигналов. Цифровой сигнал
30
представляется в виде набора отсчетов (мгновенных измерений уровня
аналогового сигнала, представленных с точностью до шага квантования), взятых
через определенные интервалы времени (с заданной частотой дискретизации).
Именно цифровые сигналы являются естественными для использования в
вычислительных системах.
Над цифровыми сигналами, равно как и над аналоговыми, могут быть выполнены
функциональные преобразования, описанные выше.
Появление цифровых сигналов в информационной системе приводит к новому
типу функциональных преобразований – кодированию. В узком (данный случай)
смысле кодирование есть преобразование дискретных сообщений (сигналов) в
последовательность кодовых символов, формируемую по определенному
правилу. Множество всех последовательностей кодовых символов образует код.
Совокупность кодовых символов, из которых строятся последовательности, –
кодовый алфавит, а количество кодовых символов – основание кода.
Выше была рассмотрена часть информационного конвейера, сопрягающая сенсор
с каналом передачи данных. Далее будет рассмотрена информационная структура
каналов передачи данных и их сопряжение с управляющими ЭВМ.
Наиболее элегантное описание элементов информационных систем, связанных с
передачей данных (СПД – систем передачи данных) получается при
использовании объектно-ориентированных методик анализа и синтеза систем.
Широкое распространение получил сравнительный анализ структуры СПД с
эталонной моделью взаимодействия открытых систем (ЭМВОС или OSI – Open
System
Interconnection),
предложенной международной организацией по
стандартизации ISO (International Standards Organization).
Согласно модели OSI, архитектура СПД рассматривается в виде многоуровневой
схемы (набора слоев, последовательно обрабатывающих данные). На каждом
уровне модели производятся функциональные преобразования данных,
направленные на достижение определенных целей.
Уровни модели OSI рассматриваются как объекты с четко определенными
интерфейсами (способами взаимодействия) с вышестоящими уровнямиобъектами.
Кроме того, определяются протоколы и форматы представления данных для
взаимодействия смежных уровней различных систем.
Суть модели состоит в том, что процедура передачи данных (информационного
взаимодействия источника и приемника данных) разбивается на набор
примитивных
операций,
последовательно
выполняемых
объектами,
соотнесенными
с
уровнями
модели.
Объекты
одинаковых
уровней,
принадлежащие различным системам, взаимодействуют в соответствии с
определенными
для
этого
протоколами,
независимо
от
способов
функционирования объектов, лежащих «под» ними. Объекты смежных уровней
одной системы предоставляют друг другу определенный сервис, в соответствии с
оговоренными интерфейсами.
31
Объекты, выполняющие функции уровней, могут быть реализованы в
программном, программно-аппаратном или аппаратном виде. Как правило, чем
ниже уровень, тем больше доля аппаратной части в его реализации.
Организация сетевого взаимодействия вычислительных систем, построенного на
основе иерархических уровней, как описано выше, часто называется
протокольным стеком.
Do'stlaringiz bilan baham: |
