Алгоритмы работы аналоговых интерфейсов цифровых систем управления и контроля

УДК 681.518

АЛГОРИТМЫ РАБОТЫ АНАЛОГОВЫХ ИНТЕРФЕЙСОВ ЦИФРОВЫХ СИСТЕМ УПРАВЛЕНИЯ И КОНТРОЛЯ

© 2012 г. Л.К. Самойлов

Технологический институт Южного федерального университета, г. Таганрог

Taganrog Technological Institute of Southern Federal University

Показано, что алгоритмы работы аналоговых интерфейсов существенно влияют на увеличение требуемой частоты дискретизации датчиков системы по сравнению с частотой, определяемой характеристиками датчиков. Возможное увеличение частоты дискретизации достигает 1,4 - 2,0 и более раз.

Ключевые слова: датчики; аналоговый интерфейс; частота дискретизации; алгоритмы опроса датчиков.

In article it is shown, that algorithms of work of analogue interfaces essentially influence increase in demanded frequency of digitization of sensors of system in comparison with the frequency defined by characteristics of sensors. The possible increase reaches 1,4 - 2,0 and more times.

Keywords: sensor; the analogue interface; frequency of digitization; algorithms of interrogation of sensors.

Целью настоящей работы является анализ алгоритмов последовательного опроса датчиков в аналоговом интерфейсе и оценка их влияния на итоговую тактовую частоту работы интерфейса.

Пусть система управления и контроля имеет N датчиков. Аналоговый интерфейс преобразует сигналы датчиков в цифровую форму и вводит последовательно каждый отсчет цифровых сигналов датчиков в систему управления и контроля [1, 2]. Обозначим минимально допустимую частоту временной дискретизации цифрового сигнала каждого датчика как fi, где I = 1, 2, ..., N. Частота fi рассчитывается по правилам, которые учитывают спектральные характеристики сигнала датчика, задержку информации в системе управления и контроля, а также допустимые погрешности процесса дискретизации - восстановления [3 - 5].

Требуемый такт опроса одного датчика будет соответственно равен

Т = 1/f1.

Среди частот дискретизации сигналов датчиков аналогового интерфейса fi можно выделить минимальную частоту (fmm ) и максимальную (Утах ). Набор N датчиков может характеризоваться минимально допустимой суммарной частотой дискретизации (^):

N

f — S fi i—1

Суммарная частота дискретизации (1) фактически является тактовой частотой работы аналогового интерфейса и определяет требуемую минимальную ско-

рость ввода информации в цифровой системе управления и контроля.

Таким образом, тактом опроса интерфейса (Ts ) называется временной интервал, равный

т z= 1/f.

Циклом опроса датчиков называется временной интервал (Тц), за который будут приняты цифровые

сигналы от всех датчиков хотя бы по одному разу. Длительность цикла опроса определяется частотой опроса сигнала датчика с fmin . Действительно, за время цикла опроса этот датчик будет опрошен только один раз:

Т = 1/f

ц ' J min

Если частоты дискретизации всех датчиков равны между собой, т.е.

fmin _ fmax ,

то алгоритм ввода информации носит название циклического. При циклическом опросе число тактов в цикле равно N:

Тц = NTZ .

На рис. 1 приведена временная диаграмма, на которой показаны моменты взятия отсчетов сигналов датчиков аналогового интерфейса при циклическом опросе.

т

и "

TE

2 3 i N 1 t

Рис. 1. Временная диаграмма импульсов опроса датчиков при циклическом опросе

Если частоты дискретизации не удовлетворяют строго условию (2), а выбран алгоритм циклического опроса, то значения частот дискретизации всех датчиков приравниваются к максимальной частоте:

fi ~ Ушах

При этом будет избыточность в передаче информации от датчиков (5), которую можно оценить отношением

S = Nfmax / f .

При циклическом опросе значительно упрощается процесс ввода и обработки информации от датчиков. Это является причиной того, что иногда циклический опрос применяется даже при существенном отличии частот дискретизации сигналов датчиков аналогового интерфейса. При этом избыточность S может достигать десятков и сотен раз. Такие ситуации характерны для аналоговых интерфейсов и цифровых систем управления и контроля с большими запасами по скорости обработки информации.

Если условие (2) не выполняется, т.е. /шп Ф /шах , то такой алгоритм ввода информации называется программным. При программном опросе число тактов опроса в цикле (Л^) существенно превышает число датчиков (Щ) [1, 6, 7]:

Ле = h / fmin >> N .

Особенностью программного опроса является тот факт, что отдельные датчики в цикле опрашиваются несколько раз. На рис. 2 приведена временная диаграмма, на которой показаны моменты взятия отсчетов сигналов датчиков аналогового интерфейса при программном опросе.

U

T

1 ц

t

Рис. 2. Временная диаграмма импульсов опроса датчиков при программном опросе

Количество опросов /-го датчика в цикле (Лг-) может быть определено как

Л/ _ Л / /шт .

При этом необходимо выполнять условие равенства Лг- интервалов опроса датчика внутри цикла. Нетрудно видеть, что

N

% = ЕЛ,.

/=1

В некоторых случаях информация между аналоговым интерфейсом и цифровой системой управления

передается с помощью телеметрического канала связи. При использовании телеметрических каналов для передачи информации необходима синхронизация по такту и по циклу. Современные телеметрические системы в подавляющем большинстве используют самосинхронизацию по такту, когда тактирующие импульсы в цифровой системе управления выделяются из информационного сигнала аналогового интерфейса. Можно утверждать, что все существующие системы синхронизации по такту не изменяют значение частоты дискретизации / .

Синхронизация по циклу обеспечивается передачей дополнительных импульсов, которые носят название «импульсов синхронизации по циклу». Эти дополнительные импульсы передаются вместе с информационными импульсами по одному и тому же каналу. Обозначим число тактов, которые отводятся в цикле для импульсов синхронизации по циклу, как q Для отличия импульсов синхронизации от информационных импульсов они кодируются одним из трех способов:

1) большей амплитудой (д = 1);

2) большей длительностью (д >1);

3) запрещенной кодовой комбинацией (д >>1).

Импульсы синхронизации по циклу увеличивают

длительность цикла на величину дТ^. При этом уменьшается частота дискретизации сигналов датчиков. Для компенсации этого уменьшения необходимо увеличить значение частоты тактирующих импульсов до величины /^:

fz3 = h (1 + —).

Ле

Обратим внимание, что при выполнении равенства (7) частоты дискретизации датчиков будут равны расчетным значениям /.

При использовании программного опроса возможно дополнительное увеличение требуемой частоты ввода информации в цифровую систему управления и контроля. Это увеличение связано с двумя процессами:

1) процедурой приведения количества опросов в цикле к целым числам;

2) процедурой размещения программы опроса внутри цикла.

Число опросов одного датчика в цикле может быть только целым числом. Обозначим это число опросов как Ля. Тогда формула (5) должна быть записана в виде

^ /

Л/1 =

fm

Знак означает, что берется ближайшее большее целое число.

Число тактов опроса в цикле Ли, в отличие от Л^ из (6), будет равно:

N

Ли = ЕЛ,1 .

/=1

Это приводит к тому, что суммарная частота опроса N датчиков / увеличится по сравнению со значением (4):

N

/Т1 = Ушт ХЛ/1 .

/=1

При размещении программы опроса внутри цикла импульсы опроса каждого датчика должны отстоять на равные интервалы времени. Выполнению этого условия мешают две причины:

1) отношение Ли / Л/1 не является целым числом;

2) импульс опроса, предназначенный для /-го датчика, уже занят другим датчиком.

Решение этих конфликтных ситуаций возможно путем увеличения или числа импульсов в цикле, или отдельных интервалов для конкретного датчика внутри цикла. Использование этих решений приводит к увеличению частоты тактирующих импульсов. Обозначим требуемую частоту ввода информации после процедуры размещения программы опроса внутри цикла как /^.

На рис. 3 приведена структурная схема, поясняющая возможное увеличение частоты / при проектировании аналогового интерфейса.

Рис. 3. Структурная схема, поясняющая возможное увеличение частоты /т при проектировании аналогового интерфейса

Если устройство управления аналогового интерфейса объединено с цифровой системой управления, то процесс опроса датчиков и процесс обработки информации при реализации алгоритма управления являются неразделимыми. Фактически эти алгоритмы

реализуются в виде одного потока команд, в котором в нужные моменты времени включаются команды опроса необходимого датчика. При использовании шин интерфейса такой порядок работы системы является обязательным.

Обратим внимание, что при этом сохраняется понятие программы опроса. Перед составлением программы обработки информации необходимо решить задачу составления программы опроса и, используя эти результаты, составить общую программу управления и контроля.

Такое объединение программ опроса и обработки накладывает свои особенности на параметры аналогового интерфейса и требуемую скорость ввода информации цифровой системы управления.

Проведенный анализ показал, что в данной ситуации могут быть два варианта составления программы обработки информации. В первом варианте вначале происходит опрос всех датчиков, а затем реализуется алгоритм управления или контроля. Во втором варианте команды, реализующие программу управления, располагаются между соседними импульсами опроса датчиков в аналоговом интерфейсе.

На рис. 4 приведена структурная схема первого варианта программы обработки информации. На этом рисунке Тобр - время на реализацию программы

управления в одном цикле.

Подобный вариант обработки информации возможен только в том случае, если применяется циклический опрос. Использование программного опроса в такой ситуации просто нерационально. Это ограничивает области применения данного варианта. Если искусственно подгонять частоты дискретизации всех датчиков к частоте /шах , то будет большая избыточность в требуемой скорости обработки информации (3). Анализ временной диаграммы работы структуры рис. 4 позволяет утверждать, что в такой системе существенно повышаются требования на суммарную частоту работы аналогового интерфейса, которую обозначим как /^:

/т 4 = Щ/г/

Из (8) следует, что работа рассматриваемой системы возможна при выполнении условия

Т < Т

обр /

Выделение времени на обработку информации в такой структуре происходит за счет увеличения требуемой частоты работы аналогового интерфейса. Частота опроса одного датчика в этом случае остается постоянной или изменяется в небольших пределах.

Структурная схема второго варианта алгоритма составления программы обработки информации в цифровой системе управления показана на рис. 5.

В этом случае команды управления располагаются между командами опроса датчиков. Эти команды опроса располагаются в соответствии с программой опроса, которая назначает как время опроса, так и адрес датчика.

и

CL. _

>S £ •JL

-

Рис. 4. Структурная схема первого варианта программы обработки информации

и О а. В

о

£ и и

ZZ -

о о. Р

Рис. 5. Структурная схема второго варианта алгоритма составления программы обработки информации в цифровой системе управления

В этом случае параметры аналогового интерфейса должны оставаться постоянными. Скорость обработки информации в таких системах, так же как и в алгоритме рис. 4, должна значительно превышать требуемую скорость ввода информации из аналогового интерфейса (/). Скорости обработки команд управления и контроля современных вычислительных средств на 3 - 4 и более порядков превышают возможные скорости ввода информации из аналоговых интерфейсов. Это позволяет в большинстве случаев разместить команды управления и контроля между командами опроса для заданного цикла опроса.

Рассматриваемый алгоритм составления программы допускает использование как циклического, так и

программного опроса. Обратим внимание, что при реализации рассматриваемого алгоритма необходимо предварительно решить задачу составления программы опроса датчиков и вычисления требуемой скорости работы аналогового интерфейса.

В итоге можно отметить, что, как показывают проведенные расчеты, алгоритмы работы аналоговых интерфейсов существенно влияют на увеличение требуемой частоты дискретизации датчиков системы. Если взять за исходную минимальную величину суммарной частоты дискретизации всех датчиков, рассчитанную из частотных свойств датчиков и условий восстановления информации /, то алгоритмы опроса увеличивают это значение в 1,4 - 2,0 и более раз.

При использовании программного опроса происходит дополнительное увеличение суммарной частоты опроса за счет двух процедур формирования программы опроса.

Если все датчики опрашиваются перед решением задач управления, то это может привести к существенному увеличению требуемой скорости работы аналогового интерфейса.

Литература

1. Самойлов Л.К. Информационно-измерительные системы : учеб. пособие. Таганрог, 2010. 140 с.

2. Трояновский В.М. Информационно-управляющие системы и прикладная теория случайных процессов : учеб. пособие. М., 2004. 304 с.

3. Баранов Л.А. Квантование по уровню и временная дискретизация в цифровых системах управления. М.,1990. 304 с.

4. Самойлов Л.К., Палазиенко А.А., Сарычев В.В., Ткаченко Г.И. Дискретизация сигналов по времени (практика, алгоритмы) : монография. Таганрог, 2000. 81 с.

5. Самойлов Л.К. Учет влияния временных задержек обработки сигналов в цифровых системах управления // Тез. докл. междунар. конф. по моделям и моделированию систем с хаотической динамикой - ХАОС 2009. Греция. Крит, 2009.

6. Сарычев В.В., Ткаченко М.Г., Ткаченко Г.И. Программный опрос в медицинских информационно-измерительных системах // Изв. ЮФУ. Техн. науки. Таганрог, 2008. № 5. С. 108 - 112.

7. Сарычев В.В., Ткаченко М.Г., Ткаченко Г.И. Реализация программного опроса первичных преобразователей в информационно-измерительных системах // Изв. ТТИ ЮФУ-ДонНТУ : материалы IX Междунар. науч.-практ. семинара «Практика и перспективы развития партнерства в сфере высшей школы». Таганрог, 2008, Кн. 1. № 8. С. 186 - 193.

Поступила в редакцию 3 апреля 2012 г.

Самойлов Леонтий Константинович - д-р техн. наук, профессор, заведующий кафедрой «Автоматизированные системы научных исследований и экспериментов», Технологический институт Южного федерального университета в г. Таганроге. Тел. 8(8634)311193. E-mail: samoilov@fep.tti.sfedu.ru

Samoilov Leonty Konstantinovich - Doctor of Technical Sciences, professor, head of department «Automated Research System», Taganrog Technological Institute of Southern Federal University. Ph. 8(8634)311193. E-mail: samoilov@fep. tti. sfedu.ru_