СПОСОБ СОПРЯЖЕНИЯ КОМПЬЮТЕРА С ИЗМЕРИТЕЛЬНЫМ ОБОРУДОВАНИЕМ, ИЗМЕРИТЕЛЬНАЯ СИСТЕМА И ОГРАНИЧЕННЫЙ РЕВЕРСИВНЫЙ СЧЕТЧИК (ВАРИАНТЫ)
METHOD OF INTERFACING COMPUTER WITH MEASURING EQUIPMENT, MEASURING SYSTEM AND LIMITED BIDIRECTIONAL COUNTER (VERSION)

Изобретения относятся к измерительной технике и могут быть использованы для организации цифрового обмена между компьютером и измерительным оборудованием при построении многоканальных измерительных систем исследования напряженно-деформированного и теплового состояния конструкций летательных аппаратов и их агрегатов.
Несмотря на постоянное совершенствование теоретических методов расчета, экспериментальные исследования прочности конструкций играют важную роль в процессе создания новых видов летательных аппаратов. Проводятся обширные, большого объема экспериментальные исследования в широком диапазоне воздействий в большом количестве точек конструкции. Современные исследования этих конструкций невозможны без использования эффективных измерительных систем с мощной компьютерной техникой. Измерительные системы прочностного эксперимента оперируют большими массивами результатов измерений, и быстродействие их определяется как временем получения, так и фиксации этих результатов на конкретном носителе информации. Результаты измерений представляются в виде массива цифровых данных, расположенных на хранение в соответствующих компьютерах, которые выполняют функции управления измерительным оборудованием, прием, обработку и хранение полученных измерительных данных. В силу многоточечности и многоканальности структурно-функциональное и алгоритмическое построение измерительных систем оказывается достаточно сложным и ответственным.
Широко известны измерительная система и способ сопряжения компьютера с измерительным оборудованием (см., например, Евсеева Н.И., Кадышев А.В., Калиниченко В.В., …, Шевчук В.В. и др. Измерительно-информационная система «РЕСУРС-23/27». - М.: Труды ЦАГИ, вып.2227, 1984), где измерительное оборудование и компьютер связаны друг с другом шиной обмена данными, а обмен данными между компьютером и измерительным оборудованием обеспечивается по шине обмена данными по последовательной программе, организующей цикл обмена (опрос всех точек измерения), состоящий из тактов обмена (операция получения одного одновременного пакета результатов измерения). Такие технические решения не обеспечивают высокого быстродействия, т.к. их работа заключается в строгом последовательном выполнении операций измерения: передача управляющих команд от компьютера в измерительное оборудование, подключение коммутатором требуемой точки измерения, нормирование измерительного сигнала, аналого-цифровое преобразование, передача цифровых результатов измерения от измерительного оборудования в компьютер.
Наиболее близким аналогом является измерительная система и способ сопряжения компьютера с измерительным оборудованием (см. патент РФ №2020424, МПК G01D 9/00, 1994), где измерительное оборудование шиной обмена данными связано с компьютером, имеющим вход тактового сигнала и выход сигнала сброса, а обмен данными между измерительным оборудованием и компьютером обеспечивается шиной обмена данными по входному тактовому сигналу компьютера в соответствии с сигналом готовности измерительного оборудования и с использованием выходного сигнала сброса. Здесь процессы передачи управляющих команд от компьютера в измерительное оборудование и цифровых результатов измерения от измерительного оборудования в компьютер, подключение коммутатором требуемой точки измерения и нормирование измерительного сигнала, аналого-цифровое преобразование совмещены (происходят одновременно, параллельно), но с последовательным сдвигом соответствия порядка номеров результатов измерения, что позволяет значительно увеличить общее быстродействие. Однако при использовании компьютера с широко распространенной в настоящее время операционной системой WINDOWS происходят сбои в работе за счет прерывистого выполнения процессов обмена, т.к. WINDOWS неоднократно отвлекается в это время на свои собственные функциональные нужды и сбивает порядок совмещенных процессов измерения, получая время от времени неправильные результаты измерения, что недопустимо.
Широко известен реверсивный двоичный счетчик (например, К161ИЕ1, КР531ИЕ16, КР531ИЕ17, К561ИЕ11, К561ИЕ14, К564ИЕ11, К564ИЕ14, КР1533ИЕ12, КР1533ИЕ13), обеспечивающий прямой и обратный счет импульсных сигналов. Однако он требует специального сигнала для переключения направления счета и не обеспечивает ограниченного диапазона числа считаемых сигналов.
Наиболее близким аналогом заявляемому реверсивному счетчику является реверсивный двоичный счетчик (например, К155ИЕ6, К155ИЕ7, К555ИЕ6, К555ИЕ7, КР1533ИЕ6, КР1533ИЕ7, КР1554ИЕ6, КР1554ИЕ7, КР1564ИЕ6, КР1564ИЕ7), обеспечивающий прямой и обратный счет импульсных сигналов по разным счетным входам. Однако он не обеспечивает ограниченного диапазона числа считаемых сигналов.
Задачей настоящих изобретений является обеспечение надежной бесперебойной работы с используемой операционной системой компьютера.
Техническим результатом изобретений является устранение сбоев процесса измерения, обусловленных особенностями работы операционной системы компьютера, при сохранении высокого быстродействия.
Технический результат в способе сопряжения компьютера с измерительным оборудованием достигается тем, что обмен данными между измерительным оборудованием и компьютером обеспечивают шиной обмена данными по входному тактовому сигналу компьютера в соответствии с сигналом готовности измерительного оборудования и с использованием выходного компьютерного сигнала сброса, а в процессе обмена считают число сигналов готовности измерительного оборудования и вычитают из результата счета число сигналов сброса от компьютера, при этом результирующее число счета ограничено диапазоном 0÷2, а тактовым сигналом компьютера является сигнал ненулевого результата счета, в начале цикла обмена вырабатывают два последовательных сигнала сброса, после чего начинается тактовый обмен, анализируют наличие тактового сигнала, при его отсутствии возвращаются на начало тактового обмена, при его наличии выполняют тактовый обмен непосредственно или после отрицательного анализа наличия тактового сигнала, далее после очередного отрицательного анализа наличия тактового сигнала определяют состояние завершенности всего цикла обмена, если цикл обмена исчерпан, его прекращают, если нет, то для следующего тактового обмена возвращаются на его начало, причем в случае положительного результата последних анализов тактового сигнала возвращаются на начало цикла обмена для повтора испорченных тактовых обменов.
Технический результат в измерительной системе достигается тем, что она содержит измерительное оборудование с выходом сигнала готовности и компьютер со входом тактового сигнала и выходом сигнала сброса, связанные друг с другом шиной обмена данными, и в нее введен ограниченный реверсивный счетчик сигналов в пределах числа 0÷2 с выходом сигнала, соответствующего числу, не равному 0, к прямому счетному входу которого подключен выход сигнала готовности измерительного оборудования, к реверсивному счетному входу - выход сигнала сброса компьютера, а выход - ко входу тактового сигнала компьютера.
Технический результат в ограниченном реверсивном счетчике по варианту 1 достигается тем, что он содержит двухразрядный реверсивный двоичный счетчик, на прямом счетном входе его установлен вентиль, на реверсивном входе - другой вентиль, а на выходе - цифровой сумматор, блокирующий вход первого вентиля соединен с выходом второго разряда двухразрядного реверсивного двоичного счетчика, блокирующий вход второго вентиля - с выходом цифрового сумматора, являющегося выходом устройства, причем прямым счетным входом устройства является сигнальный вход первого вентиля, а реверсивным счетным входом устройства является сигнальный вход второго вентиля.
Технический результат в ограниченном реверсивном счетчике по варианту 2 достигается тем, что он содержит двухразрядный реверсивный двоичный счетчик, на прямом счетном входе его установлен вентиль, а на выходе - цифровой сумматор, блокирующий вход вентиля соединен с выходом второго разряда двухразрядного реверсивного двоичного счетчика, причем выходом устройства является выход цифрового сумматора, прямым счетным входом устройства - сигнальный вход вентиля, а реверсивным счетным входом устройства - реверсивный вход двухразрядного реверсивного двоичного счетчика.
На Фиг.1 дан алгоритм циклового обмена, поясняющий способ сопряжения компьютера с измерительным оборудованием.
На Фиг.2 дано устройство измерительной системы.
На Фиг.3 дан вариант 1 выполнения ограниченного реверсивного счетчика.
На Фиг.4 дан вариант 2 выполнения ограниченного реверсивного счетчика.
Сигнал «Готовность» (см. Фиг.2) - это сигнал готовности измерительного оборудования начать обмен данными и момент времени начала текущих внутренних измерительных преобразований. Сигнал «Такт» (см. Фиг.1 и 2) - тактовый сигнал компьютеру как разрешение начала обмена данными. Сигнал «Сброс» - сигнал от компьютера сброса сигнала «Такт».
Заявляемые технические решения работают следующим образом.
Особенностью выполнения способа сопряжения компьютера с измерительным оборудованием и работы измерительной системы является то, что процесс измерения представляет собой цикл тактовых обменов (тактов) цифровыми данными. Каждый тактовый обмен обеспечивает сразу непосредственно по появлению сигнала такта (соответствующего сигналу готовности, вырабатываемому измерительным оборудованием) на входе компьютера операции передачи по шине обмена данными цифровых команд от компьютера в измерительное оборудование и приема компьютером от измерительного оборудования цифровых результатов измерений (либо в обратном порядке: сначала прием цифровых результатов, потом передача цифровых команд). При этом обязательно, чтобы весь процесс тактового обмена, обеспечиваемый компьютером, был выполнен до появления следующего сигнала такта на входе компьютера, иначе произойдет сбой (искажение данных, соответствующих совмещенным процессам в данном такте).
При использовании для реализации последовательного алгоритма работы в компьютере широко распространенной операционной системы WINDOWS возникает проблема, заключающаяся в том, что периодически (в неконтролируемые моменты времени) компьютер останавливает выполнение алгоритма, уходит на исполнение своих необходимых функциональных нужд и только после этого возвращается на доработку оставшейся части алгоритма, чем не вписывается в отведенное измерительным оборудованием время такта. Происходит сбой в работе, требующей строгой непрерывности.
Если (как и в прототипе) в одном i-том такте одновременно совмещены передача команд для 1-го измерения, прием (i-3)-го результата измерения, нормирование сигнала (i-1)-го измерения, аналого-цифровое преобразование (i-2)-го измерения, то в результате этого сбоя произойдет искажение результатов четырех последовательных измерений.
При высоком быстродействии современных аналого-цифровых преобразователей возможно следующее совмещение в одном i-том такте: аналого-цифровое преобразование нормированного сигнала (i-2)-го измерения, передача команд для 1-го измерения, прием (i-2)-го результата измерения, нормирование сигнала (i-1)-го измерения. Тогда в результате сбоя произойдет искажение результатов трех измерений.
Задача, поставленная для заявляемых изобретений, - обнаружить факт сбоя и повторить измерения для неправильных результатов. Решение этого только одними средствами измерительного оборудования или только компьютерными средствами - невозможно. Используя совместное взаимодействие измерительного оборудования сигналом готовности и компьютера сигналом сброса, при выявлении пропуска начала такта с помощью ограниченного прямого и реверсивного счета сигналов готовности и сброса с выработкой специального сигнала такта решается здесь данная проблема.
Способ сопряжения компьютера с измерительным оборудованием поясняется следующим (см. Фиг.1).
Сначала подготавливают программу цикла обмена (набор тактов обмена), т.е. порядок и последовательность выдачи цифровых управляющих команд компьютером в измерительное оборудование и приема цифровых результатов измерения компьютером от измерительного оборудования. Обмен данными между измерительным оборудованием и компьютером осуществляют по шине обмена данными. Измерительное оборудование формирует периодический сигнал готовности. Компьютер формирует сигнал сброса в соответствии с входным сигналом такта. В процессе работы считают число сигналов готовности измерительного оборудования и вычитают из результата счета число сигналов сброса от компьютера, при этом результирующее число счета ограничено диапазоном 0÷2, а тактовым сигналом компьютера является сигнал ненулевого результата счета. В начале цикла обмена вырабатывают два последовательных сигнала сброса, после чего начинается тактовый обмен. Анализируют наличие тактового сигнала. При его отсутствии возвращаются на начало тактового обмена, при его наличии выполняют тактовый обмен непосредственно или после отрицательного анализа наличия тактового сигнала. Далее после очередного отрицательного анализа наличия тактового сигнала определяют состояние завершенности всего цикла обмена. Если цикл обмена исчерпан, его прекращают, если нет, то для следующего тактового обмена возвращаются на его начало. Причем в случае положительного результата последних анализов тактового сигнала возвращаются на начало цикла обмена для повтора испорченных тактовых обменов.
Сигнал готовности вырабатывается самостоятельно измерительным оборудованием строго через определенные промежутки времени в соответствии со своим быстродействием, причем в независимости от работы компьютера. Пока цикл обмена не начат, результат указанного счета сигналов готовности равен «2», т.к. за время ожидания начала цикла этих сигналов готовности, естественно, будет много, а результат счета ограничен числом «2».
При запуске цикла обмена нужно принудительно обнулить результат счета, чтобы можно было определить начало возможного такта обмена по моменту появления от измерительного оборудования очередного сигнала готовности, для чего вырабатывают компьютером два последовательных сигнала сброса счета. Т.е. на начало тактового обмена число счета равно «0».
Постоянно анализируя тактовый сигнал, ожидают его появления, что будет соответствовать разрешению для тактового обмена. Для этого при отсутствии сигнала такта постоянно возвращаются на его анализ. При первом же появлении сигнала готовности от измерительного оборудования результат счета будет равен «1», появится тактовый сигнал и можно совершать тактовый обмен.
Для проверки, что результат счета равен «1», вырабатывают компьютером один сигнал сброса, который вычитает «1» из результата счета, и анализируют сигнал такта. При правильной работе сигнал такта должен отсутствовать (т.е. результат счета должен быть равен «0»).
В этом случае выполняют соответствующий такт обмена и снова анализируют сигнал такта. При правильной работе сигнал такта должен отсутствовать, т.е. во время тактового обмена не появился очередной сигнал готовности от измерительного оборудования и обмен успешно выполнен.
Очередной тактовый обмен выполнен и анализируют исчерпанность всего цикла обмена. При положительной оценке цикл закончен, при отрицательной возвращаются на начало тактового обмена для выполнения следующего тактового обмена.
Однако, если в процессе первого анализа сигнала такта какого-либо тактового обмена (т.е. анализа момента появления разрешения на тактовый обмен) компьютер отвлекся на свои нужды, появится очередной (чаще не один) сигнал готовности от измерительного оборудования и результат счета будет не «1», а «2» (результат счета ограничен числом «2»), Поэтому для проверки этого обстоятельства вырабатывают компьютером один сигнал сброса счета, который вычитает из результата счета «1». И, если после этого результат счета все же не «0» (при правильной работе до этого результат счета должен быть «1»), значит, произошел сбой (компьютер не успел вписаться в отведенное измерительным оборудованием время). В этом случае тактовый обмен не проводят, а возвращаются на начало цикла обмена для повтора тактовых обменов с искаженными результатами (и только их). Их может быть несколько - в зависимости от особенностей выполнения измерительного оборудования (например, 4 или 3 штуки, как пояснено выше).
Если первый анализ сигнала такта тактового обмена дает правильный результат (т.е. правильно определен момент появления разрешения на тактовый обмен) и осуществлен процесс тактового обмена, проводят второй анализ сигнала такта, т.к. возможен аналогичный сбой в процессе самого тактового обмена (т.е. компьютер не успел вписаться тактовым обменом в отведенное измерительным оборудованием время). Если анализ сигнала такта показывает его отсутствие, то процесс всего тактового обмена успел правильно произойти до появления очередного сигнала готовности измерительного оборудования. Иначе - сбой. Тогда, как и ранее, возвращаются на начало цикла обмена для повтора тактовых обменов с искаженными результатами (и только их).
Такое выполнение алгоритма обмена позволяет выявить и характер сбоя: сбой при анализе момента появления разрешения на тактовый обмен и сбой при самом процессе тактового обмена. Однако первый анализ сигнала такта можно и не проводить, т.к. второй анализ все равно гарантированно определит (выявит) сбойный тактовый обмен, вне зависимости от его характера (т.е. успели ли все процессы тактового обмена произойти или нет). Правда, в первом случае время возврата на исправление процесса измерения будет гораздо меньше (т.е. меньше потери времени).
Измерительная система (см. Фиг.2) содержит измерительное оборудование 1 и компьютер 2, связанные шиной 3 обмена данными, и ограниченный реверсивный счетчик 4 до «2». Сигнал готовности измерительного оборудования 1 и сигнал сброса от компьютера 2 поступают соответственно на прямой и реверсивный входы счета счетчика 4, который вырабатывает сигнал такта для компьютера 2. Измерительная система работает согласно описанному выше алгоритму.
Ограниченный реверсивный счетчик 4 по варианту 1 (см. Фиг.3) построен на базе двухразрядного реверсивного двоичного счетчика 5, на выходе которого установлен цифровой сумматор 6 с двумя входами, подключенными к двум разрядным выходам счетчика 5. Выход цифрового сумматора является выходом устройства 4. На прямом счетном входе счетчика 5 установлен вентиль 7, на реверсивном входе - другой вентиль 8. Блокирующий вход первого вентиля 7 соединен с выходом второго разряда двухразрядного реверсивного двоичного счетчика 5, блокирующий вход второго вентиля 8 - с выходом цифрового сумматора 6. Прямым счетным входом устройства 4 является сигнальный вход первого вентиля 7, а реверсивным счетным входом устройства 4 является сигнальный вход второго вентиля 8.
Внутреннее число посчитанных счетчиком 5 импульсов ограничено сверху числом «2», несмотря на возможное превышение числа поступаемых на прямой счетный вход «+» реверсивного счетчика 4 считаемых импульсов, а снизу числом «0», несмотря на возможное превышение числа поступаемых на обратный счетный вход «-» реверсивного счетчика 4 вычитаемых импульсов. Сигнал на выходе реверсивного счетчика 4 появляется при числе посчитанных счетчиком импульсов больше чем «0», т.е. не равном «0». Такой счетчик 4 считает импульсы в прямом направлении и обратном направлении между числами «0» и «2». Блокирующим сигналом для вентиля 7 является сигнал второго разряда счетчика 5. Блокирующим сигналом для вентиля 8 является сигнал нулевого состояния счетчика 5 (отсутствие сигнала «Такт»). До начала цикла обмена состояние счетчика 5 соответствует числу «2», т.к. сигнала сброса от компьютера 2 пока нет, а сигнал готовности, вырабатываемый измерительным оборудованием 1, поступает постоянно и через открытый вентиль 7 наполняет счетчик 5 до числа «2» (максимального). Для сброса счетчика 5 до состояния «0» достаточно двух последовательных сигналов сброса от компьютера 2 на реверсивном входе устройства 4, которые через открытый сигналом «≠0» (не ноль) устройства 4 вентиль 8 поступают на реверсивный вход счетчика 5. При большем их количестве вентиль 8 блокирует отсутствием сигнала «≠0» их поступление на реверсивный вход счетчика 5, в результате чего состояние которого не может быть меньшим числа «0». Это позволяет для надежности получения этого «0» выдавать от компьютера 2 числа сигналов сброса, большего чем «2». В результате обнуления счетчика 5 на его разрядных выходах сигналы будут отсутствовать. Отсутствие сигнала на втором разрядном выходе счетчика 5 должно быть для вентиля 7 разрешающим сигналом для прохода сигнала (готовности измерительного оборудования 1) на прямом счетном входе устройства 4 на прямой счетный вход счетчика 5. Сигнал на втором разрядном выходе счетчика 5 появляется по достижении в нем числа «2», который через вентиль 7 запрещает проход на прямой счетный вход счетчика 5 следующих (если они есть) сигналов готовности измерительного оборудования 1, чем ограничивает максимальное число счета устройства 4 величиной «2».
В качестве двухразрядного реверсивного двоичного счетчика могут быть использованы микросхемы типа К155ИЕ6, К155ИЕ7, К555ИЕ6, К555ИЕ7, КР1533ИЕ6, КР1533ИЕ7, КР1554ИЕ6, КР1554ИЕ7, КР1564ИЕ6, КР1564ИЕ7. При конкретной реализации устройства 4 (применение конкретных элементов цифровых микросхем) следует учитывать фазировку упомянутых выше сигналов с эквивалентной заменой элементов в соответствии с булевой алгеброй и использованием инверторов. Например, при прямых (неинверсных выходах) счетчика 5 в качестве вентиля 7 может быть использован двухвходовой элемент «ИЛИ» или элемент «И» с инверсным блокирующим входом. Например, при выходном сигнале «≠0» устройства 4 в виде состояния «1» качестве вентиля 8 может быть использован элемент «И» с инверсным выходом или элемент «ИЛИ» с инверсным блокирующим входом.
Ограниченный реверсивный счетчик по варианту 2 (см. Фиг.4) содержит двухразрядный реверсивный двоичный счетчик 5, на прямом счетном входе его установлен вентиль7, а на выходе - цифровой сумматор 6, блокирующий вход вентиля 7 соединен с выходом второго разряда двухразрядного реверсивного двоичного счетчика 5, причем выходом устройства 4 является выход цифрового сумматора 6, прямым счетным входом устройства 4 - сигнальный вход вентиля 7, а реверсивным счетным входом устройства 4 - реверсивный вход двухразрядного реверсивного двоичного счетчика 5. Работа этого устройства аналогична варианту 1 за исключением отсутствия блокировки поступления на реверсивный вход счетчика 5 сигналов сброса от компьютера 2, по количеству, большему чем «2», что может быть обеспечено работой самого компьютера 2.
Кроме того, следует заметить следующее.
Особенность рассматриваемых изобретений заключается в особой организации обмена между измерительным оборудованием и компьютером, которая позволяет реализовать заявленный положительный эффект.
Данные для организации циклового обмена подготавливаются заранее, до начала самого цикла в соответствии с необходимым порядком выполнения измерений.
Сигнал готовности измерительного оборудования может быть не обязательно через равные промежутки времени и даже выработан вручную, оператором.
Компьютер для обеспечения необходимых сигналов обмена может содержать как встроенный, так и дополнительный согласующий порт, например параллельный с сигналами собственно данных и с входными и выходными управляющими сигналами (порт LPT). Шина обмена данными кроме информационных линий имеет необходимые функциональные стробирующие линии.
Реальное число неправильных результатов измерений из-за описанных выше сбоев, полученных в одном цикле обмена, состоящем, например, из 1000 измерений при скорости измерения 10000 измерений в секунду, составляет 0,2…0,4%, поэтому общее время цикла измерения увеличивается за счет повторных измерений несущественно.
Испытания данных изобретений прошли успешно и подтвердили реализуемость заявленного положительного эффекта.