· Протокол пересылки файлов FTP (File Transfer Protocol) реализует удаленный доступ к файлу. Для того чтобы обеспечить надежную передачу, FTP использует в качестве транспорта протокол с установлением соединений - TCP. Кроме пересылки файлов протокол FTP предлагает и другие услуги. Так, пользователю предоставляется возможность интерактивной работы с удаленной машиной, например, он может распечатать содержимое ее каталогов. Наконец, FTP выполняет аутентификацию пользователей. Прежде чем получить доступ к файлу, в соответствии с протоколом пользователи должны сообщить свое имя и пароль. Для доступа к публичным каталогам FTP-архивов Internet парольная аутентификация не требуется, и ее обходят за счет использования для такого доступа предопределенного имени пользователя Anonymous.

· В стеке TCP/IP протокол FTP предлагает наиболее широкий набор услуг для работы с файлами, однако он является и самым сложным для программирования. Приложения, которым не требуются все возможности FTP, могут использовать другой, более экономичный простейший протокол пересылки файлов TFTP (Trivial File Transfer Protocol). Этот протокол реализует только передачу файлов, причем в качестве транспорта используется более простой, чем TCP, протокол без установления соединения — UDP.

· Протокол telnet обеспечивает передачу потока байтов между процессорами, а также между процессором и терминалом. Наиболее часто этот протокол используется для эмуляции терминала удаленного компьютера. При использовании сервиса telnet пользователь фактически управляет удаленным компьютером также, как локальный пользователь, поэтому такой вид доступа требует хорошей защиты. Поэтому серверы telnet всегда используют как минимум аутентификацию по паролю, а иногда и более мощные средства защиты, например, систему Kerberos.

Протокол SNMP (Simple Network Management Protocol) используется для организации сетевого управления. Протокол SNMP был разработан для удаленного контроля и управления маршрутизаторами Internet (шлюзами). С ростом популярности протокол SNMP стали применять и для управления любым коммуникационным оборудованием - концентраторами, мостами, сетевыми адаптерами и т.д.

Полевые протоколы

Сети, обеспечивающие информационные потоки между контроллерами, датчиками сигналов и разнообразными исполнительными механизмами, объединяются общим названием "промышленные сети или "полевая шина" (FieldBus). Протоколы, по которым работают полевые шины, относят к полевым протоколам.

Основная задача полевых сетей (следовательно, и полевых протоколов) - обеспечить совместимость на уровне сети аппаратных средств от разных производителей.

Предпочтительность того или иного сетевого решения как средства транспортировки данных можно оценить по следующей группе критериев:

· объем передаваемых полезных данных;

· время передачи фиксированного объема данных;

· удовлетворение требованиям задач реального времени;

· максимальная длина шины;

· допустимое число узлов на шине;

· помехозащищенность.

Часто улучшение по одному параметру может привести к снижению качества по другому, то есть при выборе того или иного протокольного решения необходимо следовать принципу разумной достаточности. Наиболее распространенными полевыми протоколами являются:

Протокол MODBUS разработан фирмой Gould Inc. для построения промышленных распределенных систем управления. Специальный физический интерфейс для него не определен и может быть выбран самим пользователем: RS-232C, RS-422, RS-485 или токовая петля 20мА.

Протокол работает по принципу Master/Slave. В сети могут находиться одновременно один Master-узел и до 247 Slave-узлов. Master-узел инициирует циклы обмена данными двух видов: запрос/ответ (адресуется только один из Slave-узлов) и широковещательная передача данных.

Протокол описывает фиксированный формат команд, последовательность полей в команде, обработку ошибок и исключительных состояний, коды функций. Каждый запрос со стороны ведущего узла включает код команды (чтение, запись и т.д.), адрес абонента, размер поля данных, собственно данные и контрольный код. В набор команд входят чтение/запись данных, функции диагностики, программные функции и т.п. Протокол MODBUS можно назвать наиболее распространенным в мире. Он привлекателен своей простотой и независимостью от физического интерфейса.

Протокол BITBUS разработан фирмой Intel в 1984 году для построения распределенных систем, в которых должны быть обеспечены высокая скорость передачи и надежность. Протоколу был присвоен статус стандарта IEEE 1118. Используется принцип Master/Slave. физический интерфейс основан на RS-485. Протокол не дает возможности построения сложных систем из-за простоты структуры его информационных пакетов. Он определяет два режима передачи данных по шине:

· Синхронный режим используется для работы на большой скорости, но на ограниченных расстояниях: от 500 до 2400 кбит/с на расстоянии до 30 м. При этом в сеть может быть включено до 28 узлов.

· Режим с самосинхронизацией, когда передача возможна на скоростях 375 Кбит/с (до 300 м) и 62,5 Кбит/с (до 1200 м). Используя шинные повторители, можно объединять последовательно несколько шинных сегментов (до 28 узлов на каждом). Тогда общее число узлов можно довести до 250, а длину шины - до нескольких километров.

Протокол PROFIBUS (Process Field Bus) первоначально предназначался для выполнения следующих действий:

· организации связи с устройствами, гарантирующими быстрый ответ;

· создания простой и экономичной системы передачи данных, основанной на стандартах;

· реализации интерфейса между протоколами передачи данных и пользователем.

В PROFIBUS используется гибридный метод доступа в структуре Master/Slave и децентрализованная процедура передачи маркера. Сеть может состоять из 122 узлов, 32 из которых могут быть Master-узлами. В среде Master-узлов передается маркер — право проведения циклов передачи данных по шине. Все циклы строго регламентированы по времени, организована продуманная система тайм-аутов.

Протокол PROFIBUS является наиболее развивающимся и завоевывает все большую популярность.

Локальные компьютерные сети

Локальная компьютерная сеть или локальная вычислительная сеть (ЛВС, LAN - Local Area Network) - это объединение компьютеров и других устройств для создания общих ресурсов и совместного использования данных. Компьютеры, входящие в состав ЛВС, расположены на небольших расстояниях один от другого (комната, этаж, небольшое здание и т.п.). Существуют различные типы ЛВС: Ethernet, как описано в стандарте IEEE 802.3, представляет собой компьютерную сеть, основанную на использовании протокола CSMA/CD (множественный доступ к среде с детектированием несущей и обнаружением конфликтов) при передаче электрических сигналов по соединяющему компьютеры кабелю. Метод CSMA/CD обеспечивает каждой станции возможность передачи данных в сетевой кабель, при этом все станции имеют равные права. Прежде, чем начать передачу данных, станция должна "прослушать среду" и определить: не используется ли кабель в данный момент другой станцией. Если сеть занята, станция повторяет попытку по истечении случайного интервала времени. Если же среда свободна, станция начинает передачу данных.

Стандарт IEEE 802.3 содержит несколько спецификаций, отличающихся топологией и типом используемого кабеля. Например, 10BASE-5 использует толстый коаксиальный кабель, 10BASE-2 тонкий, a 10BASE-F, 10BASE-FB, 10BASE-FL и FOIRL используют оптический кабель. Наиболее популярна спецификация IEEE 802.3I 10BASE-T, в которой для организации сети используется кабель на основе неэкранированных скрученных пар с разъемами RJ-45. Ethernet поддерживает скорости передачи информации 10 и 100 Мбит/с.

Token Ring (маркерное кольцо) - это локальная компьютерная сеть, в которой передача информации (при скорости передачи 4 и 16 Мбит/с) организована на следующих основных принципах:

· станции подключаются к сети по топологии "кольцо";

· все станции, подключённые к сети, могут передавать данные, только получив разрешение на передачу (маркер);

· в любой момент времени только одна станция в сети обладает таким правом.

Управление станциями в сети Token Ring происходит с помощью передачи специального кадра - маркера. Станция, которая приняла маркер, получает право на передачу и может передавать данные. Для этого станция удаляет маркер из кольца, формирует кадр данных и передаёт его следующей станции. В сети Token Ring все станции принимают и ретранслируют все кадры, проходящие по кольцу. При приёме станция сравнивает поле адреса кадра с собственным адресок;. Если адреса не совпадают, то кадр передаётся далее по кольцу без изменений. Если адреса совпадают, или принят кадр с широковещательным адресом, то содержимое копируется в буфер станции, а по результатам приёма вносятся изменения в поле статуса кадра. Загс кадр передаётся далее по сети и, таким образом, возвращается на станцию-отправитель. Получив кадр, станция-отправитель проверяет поле статуса кадра, формирует маркер и передаёт его следующей станции. Таким образом, следующая станция получает право на передачу данных.

В последние несколько лет наметилось движение к отказу от использования в локальных сетях разделяемых сред передачи данных. Наметился переход на обязательное использование между станциями активных коммутаторов, к которым конечные узлы присоединяются индивидуальными линиями связи. В чистом виде такой подход предлагается в технологии ATM, а смешанный подход, сочетающий разделяемые и индивидуальные среды передачи данных, используется в технологиях, носящих традиционные названия с приставкой switching (коммутирующий): switching Ethernet, switching Token Ring и т.д.

Корпоративные сети

Корпоративная сеть - это (как и ЛВС) сеть, объединяющая компьютеры и другие устройства для создания общих ресурсов и совместного использования данных. Но, в отличие от ЛВС, корпоративные сети объединяют компьютеры в масштабе крупных предприятий или других образований, например администрация города или банковская система: в состав корпоративной сети может входить несколько сотен или тысяч компьютеров, находящихся на значительном расстоянии друг от друга, даже в разных городах. Компьютеры отдельных подразделений обычно объединяются в ЛВС, которые и охватываются единой корпоративной сетью с помощью самых разнообразных каналов связи и сетей различного типа.

Разветвленность и большое количество абонентов сети делает крупные корпоративные сети похожими на Internet. В связи с этим в корпоративных сетях все больше применяются хорошо развитые технологии Internet, использующие протоколы прикладного уровня ТСР/IP: корпоративная почта, доступ к файлам, базам данных и т.п. Такие сети получили название Intranet.

Глобальная компьютерная сеть

Сеть Internet (Интернет) можно описать как огромную цифровую магистраль — систему, связывающую миллионы компьютеров, подключенных к тысячам сетей по всему миру. Ее прошлое уходит своими корнями в эпоху холодной войны, конец 60-х - начало 70-х годов. Первоначально данные разработки финансировались правительством США, и сеть, ставшая предшественницей Internet, была специально спроектирована таким образом, чтобы обеспечить коммуникации между правительственными узлами в том случае, если часть ее выйдет из строя в результате ядерной атаки. Применяемый в ней протокол TCP/IP разработан с учетом того, чтобы компьютеры всех видов могли совместно использовать сетевые средства и непосредственно взаимодействовать друг с другом, как одна эффективно интегрированная компьютерная сеть. Сегодня сеть Internet связывает уже десятки миллионов пользователей компьютеров во всем мире. Эта глобальная "сеть сетей" охватывает тысячи университетских, правительственных и корпоративных сетевых систем, связанных высокоскоростными частными и общедоступными сетями.

Internet - это общедоступная сеть, открытая для любого пользователя, имеющего модем и/или инсталлированное программное обеспечение для работы по протоколу TCP/IP. Допуск в Internet через постоянное сетевое соединение или коммутируемую линию предоставляется провайдером услуг Internet (Internet Service Provider - ISP).

Internet функционирует, не имея никакой центральной организации, которая осуществляла бы управление или руководство ею, за исключением, Центра сетевой информации Internet - InterNIC (Internet Network Information Center), организации, предлагающей информационные и регистрационные услуги пользователям Internet.

6.3 Средства измерительных и управляющих технологий

Все средства измерительных и управляющих технологий образуют две подсистемы:

· Подсистему измерения (датчики, измерительные преобразователи, каналы ввода устройств сопряжения ЭВМ с объектом). Эта подсистема предназначена для контроля заданной совокупности аналоговых, частотных и дискретных параметров объекта изучения, их предварительного преобразования к нормализованному виду, а также преобразования нормализованных сигналов в цифровой код, необходимый для обеспечения ввода в ЭВМ.

· Подсистему управления (регуляторы, исполнительные механизмы, каналы вывода устройств сопряжения ЭВМ с объектом), которая предназначена для приема от ЭВМ управляющих воздействий в кодированном виде, преобразования полученных цифровых кодов в электрические сигналы аналоговой, импульсной, частотной или дискретной формы и передачи их в органы управления.

Датчики и измерительные преобразователи

Датчики - это устройства, реагирующие своими чувствительными элементами на изменения того или иного параметра исследуемого объекта и преобразующие эти изменения в форму удобную для последующей передачи информации (обычно в электрический сигнал). Существует множество видов и типов датчиков, способных контролировать процессы различной физической природы: электрические, тепловые, механические, магнитные, оптические и т.д.

При выборе типа датчика любого назначения следует руководствоваться несколькими общими принципами.

При наличии выбора необходимо, прежде всего, ориентироваться на датчики прямого однократного преобразования, что позволяет минимизировать потери и искажения информации. При ограниченности выбора вполне допустимо использование датчиков многократного преобразования и даже косвенных методов измерения, когда интересующий параметр не измеряется непосредственно, а вычисляется по результатам замера косвенных параметров, однако при этом следует более тщательно относиться к их тарировке.

Например, датчик температуры на основе термопары осуществляет прямое однократное преобразование измеряемой температуры в напряжение, которое непосредственно измеряется без дополнительных преобразований.

В датчике напряжения на основе эффекта Холла измеряемое напряжение вначале преобразуется в электрический ток (первое преобразование), который, проходя по измерительной обмотке, создает в сердечнике магнитного концентратора магнитное поле (второе преобразование), а затем в элементе Холла магнитная индукция преобразуется в электрическое напряжение низкого уровня (третье преобразование). Как правило, датчики Холла выполняются в интегральном исполнении со встроенными средствами усиления и стабилизации параметров (четвертое преобразование).

Такой параметр, как момент вращения электродвигателя непосредственно замерить достаточно трудно, поэтому часто замеряют Косвенные параметры (частоту вращения, электрические параметры нагрузочного устройства) и по ним вычисляют искомый момент. При достаточно большом удалении физического объекта от вычислительных средств обработки информации (более 10 м) целесообразно выбирать датчики со встроенными измерительными преобразователями и цифровым выходом, что значительно снижает уровень возможных помех на длинной линии связи, особенно при наличии источников помех, например, от промышленных объектов. Как правило, подобные структуры датчиков реализуются с использованием микропроцессорных средств и называются "интеллектуальными" (рис.3.1.).

При таком подходе возможны не только предварительное преобразование измеряемого сигнала, но также предварительная обработка (сжатие) информации. Например, несколько сотен мгновенных значений измеряемого сигнала усредняются на заданном интервале времени, и в центральную систему передается только одно среднее значение, что значительно упрощает работу центрального вычислительного устройства.

При изучении динамических процессов, например, с целью идентификации динамических параметров математических моделей, важен синхронный контроль изменения одновременно нескольких параметров объекта на одно и то же возмущение. Для решения таких задач современных высокоэффективных исследований целесообразно применение многоканальных синхронизированных датчиков.

Например, при изучении энергетических параметров в многофазных энергосистемах важен синхронный контроль трех фазных токов и трех фазных напряжений. Был создан специальный 6-канальный интеллектуальный датчик, способный по каждому каналу измерять и запоминать в буферном накопителе до несколько сотен мгновенных значений с последующей их обработкой и передачей информации в центральное вычислительное устройство.

Используемые в составе измерительных каналов измерительные преобразователи (кондиционеры сигналов) - это устройства, осуществляющие преобразование электрических сигналов и приведение их к удобному (нормализованному) для дальнейшего использования уровню или виду. К ним относятся усилители, нормализаторы, фильтры, гальванические развязки, искрогасящие барьеры, преобразователи типа ток/напряжение, частота/напряжение и другие подобные устройства. Чаще всего конструктивно они выполняются в виде отдельных блоков. В международной практике используют нормализованные ряды первичных преобразователей.

6.4 Регуляторы и исполнительные механизмы

Регуляторы — это чаще всего логические устройства, воспроизводящие заданную логику управления (алгоритмы управления), а исполнительные механизмы - это силовые устройства, реализующие воздействие на элементы экспериментальной установки или непосредственно на объект изучения в соответствии с заданным алгоритмом.

Иногда эти понятия объединяют и говорят, например, "регулятор напряжения", понимая под этим и логику управления, и силовой элемент, например, в виде силового транзистора или реле (релейный регулятор напряжения).

Существует несколько общепринятых типов регуляторов, которые предназначены для решения различных задач управления:

· релейный (Р) - простейший тип дискретного регулятора, у которого амплитуда выходного сигнала дискретно изменяется только на двух уровнях: Uвых(t) = 0 или Uвых(t) = Uвых(max);

· основанный на широтно-импульсной модуляции (ШИМ) сигналов - это более сложный тип дискретного регулятора, у которого амплитуда выходного сигнала управления также дискретно изменяется только на двух уровнях: Uвыx(t) = 0 или Uвых(t) = Uвых(max), но имеется возможность управления длительностью дискретного состояния, что обеспечивает более высокое качество управления;

· частотный (Ч) - это тип регулятора, у которого выходной сигнал представляет собою изменение частоты в функции входного сигнала, что удобно и необходимо для целого ряда задач управления, например, в области электроники и электротехники;

· пропорциональный (П) - простейший тип аналогового регулятора, у которого выходной сигнал управления пропорционален с заданным коэффициентом входному сигналу Uвых(t) = kUBX(t);

· интегральный (И) - тип аналогового регулятора, у которого выходной сигнал управления пропорционален интегралу входного сигнала UBblx(t) = k2 J UBX(t)dt;

· дифференциальный (Д) — тип аналогового регулятора, у которого выходной сигнал управления пропорционален производной входного сигнала UBblx(t) = k3dUBX(t)/dt;

· пропорционально-интегральный (ПИ) — тип аналогового регулятора, у которого выходной сигнал управления пропорционален с заданным коэффициентом входному сигналу и его интегралу U.ux(t) = k,Ulx(t) + k2 J UBX(t) dt;

· пропорционально-дифференциальный (ПД) — тип аналогового регулятора, у которого выходной сигнал управления пропорционален с заданным коэффициентом входному сигналу и его производной UBblx(t) = k|UBX(t) + k3dUBX(t)/dt;

· пропорционапъно-интегрально-дифферет^иальный (ПИД) — тип аналогового регулятора, у которого выходной сигнал управления пропорционален с заданными коэффициентами входному сигналу, его интегралу и производной UBb,x(t) = k|UBX(t) + k2 J U.,(t) dt + k3dUBX(t)/dt;

· адаптивный (А) — это наиболее сложный тип регулятора, у которого структура и параметры могут изменяться в зависимости от значений контролируемых параметров или каких-либо внешних условий.

Реализация различных типов регуляторов возможна как простейшими аппаратными средствами, например, с использованием операционных усилителей, цифро-аналоговых преобразователей, программируемых таймеров и пр., так и с использованием микропроцессорных средств.

Последнее решение более предпочтительно, поскольку позволяет дополнительно реализовать более сложные адаптивные алгоритмы программного изменения как структуры регулятора, так и его параметров. Особое внимание при выборе средств управления следует обращать на возможность реализации нескольких разнородных каналов управления. Здесь также предпочтительно использование микроконтроллеров. Например, микроконтроллер типа РСВ80С552 фирмы Philips имеет два независимых канала ШИМ, два независимых цифро-аналоговых преобразователя и три канала частотного управления. Спектр исполнительных механизмов достаточно широк и обычно ориентирован на прикладные области применения:

· в теплотехнике ~ устройства нагрева, охлаждения и т.д.;

· в электротехнике - реле, контакторы, электродвигатели, электронные преобразователи частоты и напряжения и пр.;

· в гидравлике — насосные и компрессорные агрегаты, задвижки и вентили и т.д.

Общим требованием ко всем исполнительным механизмам является возможность их автоматического управления, что не всегда просто реализуется и требует иногда разработки уникальных силовых устройств. Например, для реализации различных алгоритмов управления электроприводами потребовалось разработать универсальный многофазный преобразователь частоты и напряжения мощностью 1000 Вт, у которого регулируются:

· уровень выходного напряжения в диапазоне 0...220 В с дискретностью не хуже 1 В;

· частота выходного напряжения в диапазоне 0...1000 Гц с дискретностью не хуже 1 Гц;

· тип выходного напряжения (постоянное, переменное);

· форма выходного напряжения (меандр, ступенчатая, квазисинусоидальная).

Устройства сопряжения с объектом

Устройства сопряжения с объектом (УСО) предназначены для передачи и преобразования самой разнообразной информации от объекта изучения к обрабатывающим вычислительным средствам (микропроцессорам, компьютерам), а также для преобразования и передачи управляющих воздействий от вычислительных средств к объекту.

Существует множество разнообразных УСО, которые можно разделить на следующие основные типы:

· приборный интерфейс GPIB (HPIB, МЭК 625.1, КОП);

· магистрально-модульные системы (MMS);

· встраиваемые в компьютер измерительно-управляющие платы (Plugin-Card);

· программируемые логические контроллеры (PLC);

· комбинированные многоуровневые иерархические системы.

Приборный интерфейс GPIB (HPIB, МЭК 625.1, КОП). Приборный интерфейс был предложен американской фирмой Hewlett Packard в 1972 г.- HPIB (Hewlett Packard Interface Bus), признан международным стандартом в 1975 г. - МЭК 625.1 (Международная Электротехническая Комиссия, протокол 625.1) и принят и России в 1980 г. - КОП (Канал Общего Пользования - Российский стандарт).

Приборный интерфейс представляет собою дополнение цифрового измерительного прибора с встроенной в него интерфейсной платой GPIB (General Purpose Interface Bus). Интерфейсная плата реализующих дистанционное программное управление всеми параметрами прибор си удаленного управляющего компьютера, снабженного интерфейсной платой адаптера, которая обеспечивает согласование магистрали используемого компьютера с 16-разрядной магистралью приборного интерфейса. С помощью специального 24-жильного кабеля возможно объединение нескольких цифровых измерительных приборов в измерительную систему сложной конфигурации. Максимально допускается объединение до 15 приборов с общей длиной магистрали 20 м.

Использование в составе лабораторного оборудования приборного интерфейса оправдано в двух случаях:

· когда уже существующее лабораторное оборудование было построено именно на этом принципе, накоплен опыт работы с ним и нет веских оснований для перехода на другие системы;

· в тех уникальных случаях, когда нет других средств для контроля необходимых параметров.

Во всех других случаях следует по возможности избегать применения приборного интерфейса из-за его громоздкости, относительно высокой стоимости, низкого быстродействия (максимальное быстродействие магистрали приборного интерфейса до 8 Мбайт/с, типовое значение - 1 Мбайт/с), сложности реализации даже простых управляющих функций.

Магистрально-модульные системы (MMS)

Универсальные магистрально-модульные системы (MMS) представляют собою набор типовых измерительно-управляющих модулей ввода/вывода цифровой, аналоговой и дискретной информации, установленных в один из стандартных каркасов (крейтов) с общим блоком энергоснабжения, объединенных общей информационной магистралью и управляемых от удаленного компьютера посредством встроенного в крейт контроллера. Приведенные системы при общности их основной структуры отличаются конструктивным исполнением, энергетическими показателями, функциональными возможностями.

Одна из первых MMS, принятых в качестве международного стандарта - САМАС (Computer Application to Measurement And Control) в 1972 г., успешно используется до настоящего времени. В стандарте САМАС фирмами различных стран разработано и эксплуатируется более 1500 функциональных модулей измерения и управления. САМАС не имеет собственных вычислительных средств, но может управляться практически от любого компьютера, для чего в крейт Устанавливается соответствующий выбранному компьютеру контроллер, а в сам компьютер должна быть установлена соответствующая плата адаптера, согласующая магистраль выбранного компьютера со стандартной магистралью САМАС. В САМАС принята достаточно быстрая магистраль с 24-разрядными шинами адреса, данных и тиной управления, со временем цикла по магистрали - 1 мкс (что эквивалентно скорости передачи данных по магистрали 16 Мбит/с). Однако наличие между функциональными модулями и управляющим компьютером промежуточных устройств (контроллер - кабель связи-адаптер) делает результирующее быстродействие системы не более одного Мбит/с.

Дальнейшим развитием идеологии MMS, но на новой элементной базе более высокой степени интеграции являются системы VME (Versabus Module Europe-bus) и VXI (VMEbus extensions for Instrumentation). Кроме современной элементной базы, обеспечивающей более высокую функциональную насыщенность и быстродействие каждого модуля, здесь следует выделить несколько принципиальных особенностей:

· Контроллер крейта стал интеллектуальным, что позволяет перенести программы управления модулями с удаленного компьютера непосредственно в состав крейта, а это повышает общее быстродействие системы практически на порядок. Кроме того, в ряде случаев (например, в некоторых контроллерах VXI) стали использоваться RISC-процессоры реального времени, что еще больше увеличивает быстродействие системы.

· В основе VXI лежит магистраль новой архитектуры, которая разрешает прямое обращение одного модуля к памяти другого и наоборот, что расширяет функциональные возможности системы, снижает количество ошибок и существенно повышает надежность и скорость работы. Итоговая скорость магистрали VXI достигает 360 Мбит/с.

· Большинство функциональных модулей сами стали интеллектуальными за счет введения в их состав специализированных микроконтроллеров, что значительно улучшило функциональные возможности таких модулей. Появился режим самодиагностики, автоматической коррекции нулевых сигналов, предварительное накопление и обработка данных, программное изменение параметров модуля, улучшилась процедура обмена данными с обшей магистралью и пр. Так, модули VXI имеют оперативную память до 64 Мбайт. Эта память может быть использована как для хранения экспериментальных данных, так и данных, характеризующих сложные сигналы управления. Кроме того, как уже говорилось, содержимое памяти каждого модуля может быть получено другим модулем для обработки или иного использования с высокой скоростью магистрали.

Сравнительно недавно появились компактные и высокоэффективные MMS разработки американской фирмы National Instruments для обслуживания объектов средней сложности PXI (PCI extensions for Instrumentation) и SCXI (Signal Conditioning extensions for Instrumentation).

PXI представляет собой магистрально-модульную систему на основе компьютерной магистрали PCI (Peripherial Computer Interconnect), скорость передачи информации по которой составляет 132 Мбайт/с, дополненной линиями синхронизации модулей (10 МГц) и линиями передачи аналоговых сигналов. Контроллер крейта выполнен по архитектуре управляющего компьютера с процессором Intel Pentium в том же конструктиве, что и модули, и устанавливается в крейт как один из модулей. Стандартная система PXI имеет 8 слотов расширения PCI, а с помощью мостов PCI — PCI количество подключаемых модулей может расширяться практически неограниченно. Ассортимент модулей повторяет типовой набор устройств ввода/вывода с добавлением высокоскоростных измерителей, модуля оцифровки изображения и других модулей, что позволяет реализовать на основе PXI достаточно эффективные автоматизированные системы средней сложности.

SCXI является еще более простой и компактной системой, которая, как и САМАС, не имеет собственных вычислительных ресурсов, а подключается к внешнему управляющему компьютеру через параллельный порт. SCXI представляет собой многоканальную систему согласования и ввода/вывода сигналов для работы с Plugin-Card, PXI, VXI. SCXI может использоваться как дополнение к измерительно-управляющим платам и модулям для согласования сигналов или как самостоятельная законченная система ввода/вывода. SCXI- система состоит из одного или нескольких крейтов для размещения в каждом 4-х или 12-ти модулей разного функционального назначения.

Таким образом, общим для всех MMS является объединение Функциональных модулей в едином каркасе общей магистралью, что обеспечивает их эффективное управление от главного модуля (контроллера), также устанавливаемого в общий крейт.

Достоинством MMS является возможность простого конфигурирования и практически неограниченного наращивания автоматизированной системы любой сложности за счет смены модулей и наращивания количества крейтов. Относительным недостатком MMS является их избыточность при использовании для автоматизации простых объектов. Системы VME,VXI, PXI, SCXI достаточно дорогостоящие и функционально насыщенные. Каждая из этих систем помимо набора функциональных модулей измерения и управления в обязательном порядке содержит дополнительные устройства, удорожающие эти системы:

· каркас (крейт) с общим для всех модулей блоком питания и системой вентиляции;

· общую для всех модулей магистраль;

· контроллер (чаще всего интеллектуальный), обеспечивающий управление функциональными модулями по общей магистрали и связь с управляющим компьютером.

Поэтому применение указанных систем автоматизации оправдано в сложных, многоканальных экспериментах, когда требуется высокая точность контроля параметров при повышенном быстродействии всей системы.

Измерительно-управляющие платы (Plugin-Card).

Идея ввода в состав персонального компьютера дополнительной платы управления внешними по отношению к нему устройствами вполне логична, поскольку подобными платами исходно оснащен любой компьютер (платы управления монитором, внешними накопителями, плата связи с сетью и т.д.). Более того, каждый компьютер имеет несколько свободных мест (слотов) для установки подобных плат по желанию пользователя.

Структурно и конструктивно каждая Plugin-Card содержит:

· функциональную часть в виде универсального набора устройств ввода/вывода цифровой, аналоговой и дискретной информации (входной аналоговый коммутатор, АЦП, ЦАП, программируемый счетчик/таймер, порты цифрового ввода/вывода и т.д.);

· интерфейсную часть, обеспечивающую информационное и энергетическое согласование устройств функциональной части с магистралью компьютера;

· печатный разъем, соответствующий типу слота компьютера.

Данное направление развития базовых средств автоматизации постоянно совершенствуется. Появились Plugin-Card для различных классов компьютеров (IBM PC, PS2, Macintosh), платы с собственными микропроцессорными средствами обработки, быстрыми буферными накопителями типа FIFO (First Input-First Output) и т. д., благодаря чему значительно расширились их функциональные возможности. Спектр возможностей современных Plugin-Card значительно возрос и практически приблизился к возможностям функциональных модулей таких систем, как VME,VXI, PXI, SCXI:

· входной аналоговый коммутатор- 8...64 канала;

· АЦП - 8... 16 разрядов при быстродействии до 5 Ms/c (для 12-разрядов);

· ЦАП - 8... 16 разрядов при быстродействии до 1 Ms/c (для 12-разрядов);

· программируемый счетчик/таймер - 1... 8 каналов, с разрядностью 16...24;

· порты цифрового ввода/вывода — 8... 128 разрядов.

Основное преимущество измерительно-управляющих подсистем на основе Plugin-Card состоит в том, что между обрабатывающим компьютером и функциональными устройствами ввода/вывода информации отсутствуют промежуточные устройства, поскольку Plugin-Card вставляют в свободные слоты компьютера. При этом основные измерительно-управляющие устройства Plugin-Card оказываются расположенными непосредственно на шинах обрабатывающего процессора, им присваиваются соответствующие адреса одного из внешних устройств процессора, могут быть назначены необходимые приоритеты, что минимизирует все временные задержки при измерении и управлении. Максимальная скорость обмена информацией доходит до 132 Мбайт/с. Кроме того, отпадает необходимость в специальном корпусе, блоке питания, системе охлаждения, поскольку все это уже есть в базовом компьютере, что значительно упрощает и удешевляет измерительно-управляющую подсистему в целом.

Однако имеется недостаток, который следует учитывать при использовании Plugin-Card для аналогового управления быстродействующими объектами. Цифро-аналоговые преобразователи (в отличие от АЦП) на универсальных платах, как правило, не имеют выходного буфера, за исключением специализированных карт аналогового вывода и генераторов сигналов сложной формы, которые отличаются высокой стоимостью. Поэтому для реализации сложного алгоритма управления объектом каждое новое значение выходного аналогового сигнала по каждому каналу необходимо рассчитывать в реальном времени, в связи с чем, скорость управления объектами ограничивается или становится в прямую зависимость от производительности применяемого компьютера, вынужденного помимо задач управления Выполнять параллельно и другие служебные функции. Так, проведенное тестирование показало, что для базового компьютера на основе процессора Intel Pentium 150 МГц максимальная частота генерирования выходного аналогового сигнала не превышает 40 КГц, а для процессора Intel 486 Dx66 - не более 13 КГц.

Эта связь становится еще более явной, если необходимо корректировать алгоритм управления в зависимости от реакции объекта на управляющие воздействия. Для быстродействующих объектов при сложных алгоритмах управления такую систему практически невозможно реализовать именно потому, что современные компьютеры не успевают произвести требуемые вычисления. Например, для реализации векторного управления асинхронным двигателем на частоте питания 50 Гц с просчетом положения вектора поля через 10 электрических градусов требуется компьютер с производительностью более 50 миллионов операций в секунду, что превышает производительность самых мощных на сегодняшний день общедоступных компьютеров.

Выходом из подобной ситуации может служить использование параллельно с универсальными измерительными платами специализированных плат аналогового вывода. Такие платы имеют выходной буфер и предназначены для генерации сигналов с частотой обновления до 300 КГц.

Таким образом, можно определить основной перечень условий, при которых исследовательское оборудование целесообразно строить па основе измерительно-управляющих плат типа Plugin-Card:

· Небольшое удаление объекта исследования от измерительною компьютера (1-2м). При большем удалении объекта исследования использование измерительных карт возможно, однако требует применения дополнительных устройств - нормализаторов сигналов, фильтров и т. п. для устранения случайных помех и компенсации потерь в измерительных каналах. Однако при работе на больших частотах полностью избавиться от помех практически невозможно.

· Реализуемость задач управления, которая определяется быстродействием системы, в которую входит компьютер и измерительно-управляющая плата. Оценка реализуемости должна проводиться в каждом конкретном случае. Если система не способна обеспечить требуемого быстродействия, необходимо или переходить на более быстродействующие средства, или распределять вычислительные и измерительные задачи между несколькими устройствами, т. е. использовать комбинированные системы.

· Персональный компьютер имеет ограниченное количество слотов для подключения интерфейсных плат. Если требуемое количество интерфейсных плат превышает количество слотов персонального компьютера, необходимо использовать блоки расширения слотов или переходить на магистрально-модульные системы.

Программируемые логические контроллеры

Программируемые логические контроллеры (PLC) представляют собою компактные измерительно-управляющие системы с заранее программируемой логикой, выполненные на основе специальных интегральных микросхем повышенной степени интеграции (базовых микроконтроллеров). PLC содержат в одном кристалле как средства обработки информации (микропроцессор с необходимым набором периферийных устройств - ОЗУ, ПЗУ, порты ввода/вывода и пр.), так и средства измерения и управления (АЦП, ЦАП, ШИМ, программируемые счетчики/таймеры, порты ввода/вывода и пр.)

Структура измерительно-управляющей подсистемы на базе PLC отличается простотой конфигурации и компактностью. Обычно используют полностью законченные промышленные конфигурации, содержащие базовый вычислительный модуль и набор типовых модулей ввода/вывода или так называемые отладочные платы (kit). Эти платы содержат базовый комплект микроконтроллера с необходимыми внешними устройствами (ОЗУ, ПЗУ, порты ввода/вывода и т.д.), а также свободную часть монтажной платы для реализации нестандартного дополнения по проекту разработчика.

В настоящее время существует множество типов базовых микроконтроллеров различных фирм (Intel, Motorola, Texas Instruments, Maxim, Philips и т.д.), отличающихся как внутренней архитектурой, так и функциональным назначением.

Наиболее распространены микроконтроллеры на основе микропроцессора i80C51 фирмы Intel. В этом семействе особый интерес для создания PLC (для сравнительно простых объектов при хорошем соотношении: цена/функциональные возможности) представляют микроконтроллеры РСВ80С552 фирмы Philips. Они имеют следующие базовые показатели:

· внешняя память программ и данных до 64 кБ каждая;

· встроенный 8-канальный 10-разрядный АЦП со временем собственного преобразования до 10 мкс;

· два канала широтно-импульсной модуляции (ШИМ) с тактовой частотой 15 КГц для реализации частотного управления;

· 8-разрядный цифровой порт ввода/вывода;

· три встроенных 16-разрядных таймера/счетчика;

· сторожевой таймер, предназначенный для автоматического перезапуска системы в случае ее зависания, например из-за кратковременного сбоя напряжения питания;

· последовательный порт, подключаемый по стандарту RS232/RS485 для реализации внешних связей с другими микроконтроллерами или с базовым компьютером;

· последовательный порт шины I2С, позволяющий подключать к микроконтроллеру дополнительные устройства (модули флэш-памяти, часы реального времени и т. п.) и соединять несколько микроконтроллеров в единую сеть для совместной работы.

Кроме того, функциональные возможности микроконтроллера легко развиваются дополнительными устройствами, подключаемыми к нему по цифровой шине адрес/данные. В качестве таких устройств могут быть использованы высокоточные АЦП, ЦАП, счетчики, дополнительные преобразователи сигналов и т.п.

При большом количестве разнообразных задач, возлагаемых на измерительно-управляющую подсистему целесообразно распределять эти задачи между несколькими микроконтроллерами в зависимости от их производительности. В этом случае микроконтроллеры для совместной работы объединяются в сеть на основе стандарта RS-485 (при удалении на десятки и сотни метров) или на основе высокоскоростной шины ГС (при удалении микроконтроллеров не далее 1 м) При такой архитектуре обмен данными по сети осуществляется по принципу ведущий/ведомый, т. е. один из микроконтроллеров или главный компьютер берет на себя функции ведущего и осуществляет общее управление потоками данных по сети.

В зависимости от сложности решаемых задач следует выбирать микроконтроллеры разной архитектуры, начиная от простейших 8-разрядных до мощных 16-ти и 32-разрядных.

В случаях, когда микроконтроллер должен не только производить измерения параметров, но и управлять объектом в зависимости, например, от частотного состава замеренного параметра, т.е. производить некий сложный математический анализ экспериментальных данных в реальном масштабе времени с минимальными временными задержками, требуется применять цифровые сигнальные процессоры (DSP), предназначенные для решения подобных задач.

Использование PLC в качестве устройства сопряжения с объектом в сложных измерительно-управляющих подсистемах позволяет значительно разгрузить главный компьютер от таких рутинных операций как сбор и накопление данных, их предварительная обработка, управление объектом исследования и вспомогательными устройствами.

Микроконтроллерные системы, как правило, используются в тех случаях, когда не требуется высокая скорость сбора небольшого объема данных и несложных алгоритмах предварительной обработки данных.

Комбинированные многоуровневые иерархические системы

Практика работы с автоматизированными измерительно-управляющими системами показывает, что добиться оптимального соотношения стоимости и функциональных возможностей при использовании только одной конкретной системы практически невозможно.

При работе с реальными физическими объектами средней и высокой сложности (например, объединение нескольких разнородных устройств в действующую систему) спектр задач измерения и управления слишком разнообразен. Наряду с задачами высокоточного и быстрого контроля ряда параметров возникают задачи простого включения/отключения какого-либо элемента или технологического оборудования с программно-изменяемой частотой. Тратить на это вычислительные ресурсы главного управляющего компьютера было бы нерационально. Отсюда возникает стратегия использования комбинированных средств и разумного разделения между ними имеющихся вычислительных ресурсов.

Например, при создании лабораторного оборудования, не требующего в процессе работы громоздких промежуточных вычислений, но предполагающего наличие независимых каналов управления и точных измерений, вместо систем на базе VXI или PXI может быть использована комбинированная система, построенная на сочетании одного или нескольких PLC и одной или несколькими Plugin-Card.

В такой комбинированной системе Plugin-Card могут выполнять функции измерения параметров, критичных к времени и синхронизации, например, когда требуется получить осциллограмму сигнала сложной формы с высоким разрешением. При этом PLC, используя свои вычислительные ресурсы, выполняет задачи управления различными устройствами, а также может измерять медленноменяющиеся параметры, например, температуру, перемещения и т. д.

Подобные комбинированные системы сочетают в себе требуемую функциональность при значительно более низкой стоимости по сравнению с системами на основе VXI или PXI.

В целом же, как показывает опыт разработки автоматизированных курсов, для объектов повышенной сложности наиболее эффективны комбинированные системы с трехуровневым иерархическим распределением вычислительных ресурсов.

На объектном уровне, как правило, целесообразно использовать мультипроцессорные подсистемы, вычислительные ресурсы которых (разрядность, быстродействие, объем памяти) необходимо выбирать в зависимости от сложности решаемых задач. Здесь следует настойчиво рекомендовать не экономить в малом, не перегружать микроконтроллер несколькими задачами (даже, если его ресурсы не исчерпаны), а каждую задачу поручать отдельному микроконтроллеру, разработав для него оптимальную программу управления. При таком подходе каждый значимый узел объекта (датчик или группа датчиков, регулятор, преобразователь, нагрузка и т. д.), снабженный отдельным микроконтроллером, становится "информационно прозрачным" и "абсолютно управляемым", что очень важно в системах удаленного доступа. Обмен информацией между такими интеллектуальными устройствами, а также каждого из них с управляющим компьютером осуществляется по сетевым каналам.

На промежуточном уровне должны размещаться сервисные вычислительные средства, обеспечивающие обслуживание, с одной стороны, вычислительных средств объекта (передача данных, пересылка команд на изменение режимов работы оборудования), а, с другой стороны, - запросов удаленных пользователей. Эти достаточно сложные функции возлагаются на сервер комплекса, вычислительные ресурсы которого выбираются в зависимости от решаемых задач. Для реализации связи сервера комплекса с удаленными пользователями в его составе должна быть одна из типовых плат сетевого обмена, а для связи с вычислительными средствами объекта, например, адаптер последовательного интерфейса (обычно это преобразователь RS-485/RS-232).

На пользовательском уровне по возможности должны находиться современные компьютеры класса не ниже Pentium-100 с объемом ОЗУ не менее 16 Мб, с графическим разрешением мониторов не менее 800x600, 256 цветов. Такие относительно высокие требования объясняются тем, что при разработке программно-методического обеспечения автоматизированных курсов используются современные достижения компьютерных технологий: цвет, звук, трехмерная графика, анимация, без чего эффективность процесса обучения была бы не столь высока.

6.5 Средства разработки программно-методического обеспечения

Ведущие фирмы в области информационно-измерительных и управляющих технологий (Hewlett Packard, National Instruments и др.) производят комплектные системы, включающие как аппаратные средства сопряжения с объектом, так и все необходимое программное обеспечение их поддержки. Сюда входят драйверы управления аппаратными средствами, программы для создания пользовательских интерфейсов, программное обеспечение математической обработки результатов исследования и пр.

Однако спектр задач, возникающих при создании автоматизированных учебных курсов, значительно шире только измерения параметров и управления объектами. Так, методическое обеспечение комплекса должно содержать полную совокупность средств, необходимых и достаточных для его использования в решении задач исследования и обучения:

· информационно-справочные данные для изучения теоретических основ исследуемых физических процессов, базирующиеся на применении различных форм представления учебной информации, включая приемы гипертекстового и полиэкранного структурирования, анимационного изображения изучаемых объектов и процессов для активизации формирования знаний и навыков обучающихся;

· программы имитационного компьютерного моделирования динамических процессов в сложных технических системах и их компонентах;

· средства подготовки и проведения натурных исследований сложных технических систем и их компонентов в режиме удаленного доступа;

· средства обработки и анализа экспериментальных данных для практической проверки адекватности применяемых математических моделей;

Необходимой составляющей частью этой подсистемы является подборка из нескольких десятков контрольных вопросов и задач по каждому тематическому разделу изучаемого курса.

Банк заданий на проведение учебных исследований должен быть Разработан таким образом, чтобы индивидуализировать выдаваемые задания и всесторонне охватить выполняемыми исследованиями основные проблемы, характеризующие конкретное тематическое направление. Оперативность получения необходимых экспериментальных данных позволяет формировать учебные задания поискового характера.

В соответствии с изложенными положениями средства программного обеспечения должны включать в свой состав ряд компонентов, выполняющих различные функции:

· ПО объектного уровня должно содержать набор программ-драйверов управления стандартными и специально разработанными средствами обмена информацией между компонентами автоматизированного стенда.

· ПО компьютера-сервера предназначено для реализации дистанционного обмена информацией между аппаратными средствами автоматизированных лабораторных стендов и рабочими местами пользователей и должно выбираться таким образом, чтобы обеспечить работу технических средств телекоммуникации и, в частности, поддерживать протокол сетевого обмена ТСРЛР.

· ПО рабочих мест пользователей выполняет несколько функций, для реализации которых целесообразно применять соответствующие инструментальные программные средства.

Основная часть ПО рабочего места пользователя может быть создана, например, с применением инструментальной системы прикладных программ LabWindows/CVI фирмы National Instruments (США). Данная система содержит встроенные средства связи с объектами исследования в реальном масштабе времени, а также средства разработки удобных пользовательских интерфейсов. Эти возможности обеспечиваются применением развитой библиотеки примитивов и достаточно полной, легко подключаемой библиотеки математической обработки результатов экспериментальных исследований, включающей программные модули полиномиальной и сплайн интерполяции, цифровой фильтрации, спектрального и корреляционного анализа и т.д.

Значительные потенциальные возможности имеют также современные объектно-ориентированные системы программирования, например, Borland C++ в совокупности с библиотеками объектов.

Очевидно, что осуществить выполнение требований, предъявляемых к программному обеспечению всех уровней, с помощью какой-либо единой системы разработки невозможно. Необходимо применение различных средств разработки программного обеспечения по принципу соответствия их возможностей задачам разработки различных подсистем программного обеспечения исследовательского оборудования нового поколения.

Подавляющее большинство современных средств разработки программного обеспечения можно условно разделить на следующие группы:

· средства низкоуровневого программирования, основанные на языках программирования "Ассемблер" и "Си";

· средства визуального программирования, основанные на стандартах языков программирования высокого уровня, например, Си или Паскаль - National Instruments LabWindows/CVI и т.п.;

· средства объектно-ориентированного программирования (ООП) - Microsoft Visual Basic, Microsoft Visual C++, Borland C++, Watcom C++ и др.;

· средства визуального программирования, основанные на ООП — Borland Delphi (язык Паскаль), Borland C++ Builder;

· средства графического программирования — National Instruments LabView, LookOut и BridgeView.

Разделение средств, в основе своей использующих ООП, на две группы довольно условно - все они, в принципе, являются визуальными средствами программирования. Однако Delphi и C++ Builder обладают большим набором средств для создания развитого интерфейса пользователя, стыковки с базами данных и т.п., практически не требующих неавтоматизированного программирования.

Средства программирования низкого уровня

Средства программирования низкого уровня ("Ассемблер", Си и Паскаль) являются основным инструментом создания оптимальных по времени исполнения и надежности программ для микропроцессорных устройств, применяемых в измерительно-управляющей подсистеме исследовательского оборудования.

Использование языка программирования Си существенно облегчает включение в программное обеспечение математических действий над числами с плавающей точкой, дополнительных математических операций, вплоть до некоторых функций анализа данных. Однако при этом становится неопределенным время исполнения программы, которое определяется качеством работы кросс-транслятора, тогда как время исполнения программы, написанной на ассемблере, легко определяется.

Поэтому желательно комбинированное использование этих двух языков программирования при разработке ПО микропроцессорных устройств: Си - для общей программы, со сложными алгоритмами и вычислениями, Ассемблер - для частей программы, время исполнения которых должно быть строго определено.

Программная система LabWindows/CVI

Программная среда LabWindows/CVI американской фирмы National Instruments представляет собой систему визуального программирования, основанную на языке программирования ANSI С, то есть на стандартном языке Си, без расширений ООП и C++.

LabWindows/CVI отличается присущими всем визуальным средствам программирования простотой и быстротой создания программ с развитым интерфейсом пользователя, а также большой библиотекой математических инструментов обработки цифровых данных. При этом поддерживается практически весь спектр оборудования, выпускаемого фирмой National Instruments и рядом других фирм, для цифровых измерений - встраиваемых измерительных карт, измерительных и управляющих модулей SCXI, VXI и PXI, промышленных микроконтроллеров.

Кроме того, в составе LabWindows/CVI есть инструментальные средства для работы с сетевым протоколом TCP/IP и для использования функций API (Application Programming Interface) - основы операционных систем класса Windows.

Отличительной особенностью LabWindows/CVI и созданного им программного обеспечения является их работа на основе так называемого Runtime-engine, который является прослойкой между программой и операционной системой и осуществляет управление ее исполнением, координацию обмена данными и системными сообщениями программы с операционной системой. Это существенно увеличивает необходимые для нормального функционирования программы ресурсы компьютера и замедляет ее работу. Такой способ организации работы прикладных программ существенно ограничивает применение LabWindows/CVI при разработке программного обеспечения исследовательского оборудования нового поколения из-за возможного повышения системных требований к необходимому для нормальной работы программы компьютерному оборудованию.

Кроме того, отсутствие механизмов ООП значительно ограничивает функциональные возможности программ, созданных на LabWindows/CVI, или существенно увеличивает время, необходимое на их разработку.

Поэтому использование LabWindows/CVI для создания программного обеспечения исследовательского оборудования возможно для решения несложных задач, не требующих высокой скорости исполнения или серьезного математического аппарата.

Средства объектно-ориентированного программирования

Средства объектно-ориентированного программирования (ООП), такие как Microsoft Visual C++, Borland C++, Watcom C++ - являются основными средствами программирования в операционных средах семейства Microsoft Windows и применяются при создании программного обеспечения, к которому предъявляются требования высокой надежности и скорости работы при минимальных требуемых вычислительных ресурсах. Это в большей мере виртуальные драйверы устройств для самой операционной системы, служебные программы, программы для работы с сетью, мощные программные комплексы, например, Microsoft Word. Каждая из перечисленных сред разработки программного обеспечения обладает своими достоинствами и недостатками, но, в общем, все они практически идентичны в функциональном плане. Различия сводятся к оптимальности готового кода программ, скорости его работы, но они незначительны.

Однако все перечисленные средства ООП обладают существенным недостатком - они слабо приспособлены для разработки программного обеспечения с развитым интерфейсом пользователя. В них имеется некоторый набор стандартных элементов, таких как кнопки, текстовые поля, таблицы и т.п., но этот набор незначителен и пригоден для создания интерфейса, присущего системному программному обеспечению. В описываемых средствах, конечно, можно создать программу с любым по своей сложности интерфейсом пользователя, насыщенным графикой и удобными элементами, но на создание такой программы уйдет значительно больше времени.

Таким образом, средства объектно-ориентированного программирования при разработке программного обеспечения исследовательского оборудования целесообразно использовать при создании наиболее важных частей программного обеспечения — серверов, модулей для работы в сети и т.п., не требующих развитого интерфейса пользователя.

Средства визуального программирования, основанные на ООП

Средства визуального программирования, основанные на ООП, Borland Delphi, Borland C++ Builder - функционально ничем не уступают средствам, описанным выше. Но создание программ с помощью этих систем программирования занимает значительно меньше времени, чем, например, в Microsoft Visual C++. Это достигается благодаря наличию большого числа компонентов, начиная с простейших кнопок, и заканчивая компонентами для работы с сетью или каким-либо оборудованием. Однако механизм разработки программного обеспечения на основе компонентов влечет за собой неоптимальность исполняемой программы, вследствие чего она работает медленнее и требует больше ресурсов, чем такая же программа, написанная, например, на Microsoft Visual C++ или Borland C++.

К преимуществам Delphi и C++ Builder следует также отнести простоту работы с базами данных благодаря наличию специальных компонентов.

Богатые возможности Delphi и C++ Builder легко развиваются подключением других библиотек компонентов. В настоящее время существует множество различных библиотек для этих сред программирования, начиная от библиотек визуальных компонентов до мощных библиотек математического анализа. Особенный интерес при разработке программного обеспечения исследовательского оборудования представляет библиотека Component Works, разработанная американской фирмой National Instruments. Эта библиотека функционально повторяет библиотеку инструментов других продуктов этой компании - LabWindows/CVI и LabView, существенно расширяя спектр возможностей программ, созданных на Delphi или на C++ Builder.

Таким образом, средства визуального программирования, основанные на ООП - Borland Delphi и C++ Builder, благодаря скорости разработки программ и функциональным возможностям наиболее привлекательны для использования при разработке программного обеспечения исследовательского оборудования нового поколения практически в любой его части, а особенно в части программного обеспечения высшего уровня. Использование этих средств возможно и при разработке ответственных частей программного обеспечения, таких как программное обеспечение серверов, модули работы с сетью или модули управления оборудованием благодаря как возможности использования функций API в составе программы, так и возможностью написания программы с применением только функций API.

Средства графического программирования

Средства графического программирования занимают особое место в ряду средств разработки программного обеспечения. Для разработки программы с помощью средств графического программирования кроме некоторых навыков, как правило, не надо знать языков программирования, владеть методикой программирования в среде Windows и т. д. Все программирование производится на уровне структуры и алгоритма программы.

Изначально средства графического программирования были предназначены для упрощения доступа инженеров и научных работников, не знакомых с программированием, к разработке систем автоматизации. В основном, имелось в виду программное обеспечение для управления измерительным оборудованием и обработки результатов измерений. Но постепенно развитие графических средств программирования позволило существенно расширить сферу их применения вплоть до разработки программ мониторинга и управления производством или технологическими процессами. Особого прогресса в данной области добилась фирма National Instruments. Ее продукты LabView, LookOut и BridgeView следует рассмотреть отдельно.

LookOut представляет собой систему мониторинга и управления технологическими процессами: работа в реальном времени, поддержка большого количества стандартных измерительных и управляющих устройств, несколько уровней секретности и объявления нештатных ситуаций. Программная система в LookOut строится по принципу логической схемы, что оптимально для технологического процесса и абсолютно не приемлемо для более сложных задач (например, научных исследований), так как не позволяет строить сложные алгоритмы управления различными устройствами, осуществлять серьезную математическую обработку данных и многое другое. Поэтому для разработки программного обеспечения исследовательского оборудования LookOut непригоден.

LabView функционально ничем не уступает другим продуктам National Instruments (LabWindows/CVI или Component Works). LabView содержит подобные инструменты для создания интерфейса пользователя, работы с измерительным и управляющим оборудованием, математической обработки данных, работы в сети и т. д. К LabView также можно подключать программные модули, созданные в Других средах программирования, например, C++ или LabWindows/CVI. Программирование в LabView ведется на уровне Диаграмм. Диаграммы в LabView - это схемы алгоритмов. Основные элементы "алгоритмического языка" Lab View практически повторяют основные конструкции языка программирования Си.

При наличии определенных навыков создание достаточно сложной программы на LabView занимает у разработчика времени примерно на два порядка меньше, чем разработка такой же программы, например, на C++. Однако, основу LabView составляет runtime-engine, подобный аналогичному средству в LabWindows/CVI. Но в LabView оно выполняет значительно больше задач, благодаря чему LabView является практически самой быстрой и самой надежной системой в своем классе.

Однако LabView при всей своей привлекательности предназначена для создания небольших измерительно-управляющих систем, работающих в реальном времени, и не предназначена для разработки мощных, развитых программных комплексов, а тем более системного программного обеспечения, так как для этого LabView слишком громоздкая и медленная система. При создании подобных систем LabView будет проигрывать программам, созданным на C++, как по скорости работы, так и по необходимым компьютерным ресурсам. Поэтому LabView не подходит для создания программного обеспечения исследовательского оборудования.

BridgeView представляет собой построенную на основе LabView систему управления предприятиями и технологическими процессами с элементами разграничения доступа и системы предупреждений, заимствованных из LookOut, и ее использование при создании программного обеспечения для исследовательского оборудования также нецелесообразно.

Операционные системы

Операционные системы разделяют на два основных класса: ОС общего назначения и ОС реального времени (ОС РВ), хотя в последнее время границы между ними заметно стираются - многие задачи реального времени успешно решаются современными версиями систем общего назначения.

Операционные системы общего назначения.. Применительно к задачам автоматизации наиболее популярны такие ОС как Windows 3.1/95/NT, HP-UX, Solaris, MacOS, UNIX. Все они являются многозадачными системами и, в основном, используются в решении задач автоматизации с централизованным управлением, когда в системе имеется конкретная управляющая ЭВМ. Для ОС общего назначения характерна единая среда, используемая как для разработки прикладных программ, так и для их исполнения. Операционные системы общего назначения по сравнению с ОС РВ дешевле, проще в использовании и отладке приложений.

Операционные системы реального времени. Основными преимуществами систем реального времени по сравнению с ОС общего назначения являются:

· гарантированное время реакции системы на запросы и прерывания от внешних устройств при возникновении непредвиденных ситуаций;

· разделение среды разработки прикладного ПО и среды его исполнения.

ОС РВ предназначены, как правило, для применения в распределенных многопроцессорных системах с децентрализованным управлением, поэтому они дороже и сложнее в использовании. Среди наиболее известных ОС РВ можно назвать следующие системы: OS-9/OS-9000, VxWorks, LynxOS, VMEexec.

Средства разработки баз и хранилищ данных

В настоящее время особенно остро ощущается потребность в информационной поддержке образовательного процесса. Для этого необходимо создание и внедрение обширных распределенных баз и хранилищ данных как основы такого информационного обеспечения. Внедрение такой системы кроме количественного роста объема доступной информации позволяет решить следующие задачи, стоящие перед образовательными учреждениями:

· активизация самостоятельной работы студентов;

· интенсификация и индивидуализация обучения;

· унификация аттестационных требований по дисциплинам на основе государственных образовательных стандартов;

· объективизация оценки эффективности профессиональной деятельности преподавателей;

· проведение внутривузовских аттестаций по отдельным элементам образовательных программ;

· организация обучения и аттестации для различных форм образования.

Анализ требований, предъявляемых образовательными учреждениями к создаваемым распределенным базам и хранилищам данных, показал, что такая база должна быть универсальной и масштабируемой. Кроме того, она должна точно соответствовать своему назначению, иметь понятный интерфейс для пользователей всех уровней, обеспечивать широкую доступность к информации, при одновременном усилении защиты конфиденциальной информации, максимально использовать имеющиеся технические средства.

Создание системы, удовлетворяющей таким жестким требованиям, возможно только при внедрении новейших технологий разработки. В настоящее время активно развиваются направления создания традиционных клиент-серверных баз данных, использующих для обмена данными Интернет и локальные сети, и баз данных, использующих собственно Интернет-технологии для обмена данными.

Для создания современных баз данных широко используются и могут быть рекомендованы к применению системы Быстрой Разработки Приложений (RAD), позволяющие вести разработку средств поэтапно, на каждом этапе предъявляя пользователю для согласования результаты работы. К таким системам относятся широко распространенные Delphi, C++ Builder, PowerBuilder, а также пока не так широко распространенные специализированные системы RAD типа системы JAM фирмы JYACC (США). Для создания Web—ориентированных баз данных существуют собственные средства разработки, такие как WebSpeed 2.x фирмы Progress Software, Baiconur Web Application Server, Jbuilder Client-Server Edition, Symantec Visual Cafe Database Engine и др.

Независимо от используемого средства создания распределенной базы данных, сложность разработки такой системы вызывает необходимость применения специальных программных средств для описания структуры проектируемой системы. Использование таких программных средств позволяет создавать детальные описания проектируемых систем, что значительно снижает трудоемкость создания за счет исключения ситуаций, когда программно реализуется система, отличающаяся от требуемой из-за ошибок в описании структуры. К таким средствам относятся система Silverrun и другие системы, реализующие методику описания сложных распределенных систем DATARUN.

В целом использование таких систем позволяет в короткие сроки создать действующую систему, которая будет совершенствоваться в процессе эксплуатации с учетом новых требований и выявленных недостатков. Возможность развития, заложенная на стадии проектирования, позволит такой системе долгое время выполнять требуемые функции с максимальной эффективностью.

Страницы: 1, 2, 3, 4, 5, 6