ТЕЛЕМАТИЧЕСКИЙ ПРИБОР ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ И ГЕНЕРАЦИИ СИГНАЛОВ В РАСПРЕДЕЛЕННЫХ СИСТЕМАХ

Полезная модель относится к измерительно-вычислительной технике и может быть использована в качестве устройства связи с объектом (УСО) в распределенных системах управления и мониторинга.
Для мониторинга и управления распределенным объектом целесообразно использование телематических приборов, обеспечивающих генерацию и регистрацию электрических сигналов взаимодействия с объектом и связанных с управляющим компьютером телекоммуникационными каналами (сетью) с пакетной коммутацией. При этом каждый телематический прибор связан лишь с частью распределенного объекта группой каналов генерации и регистрации сигналов. Для взаимодействия с объектом в целом требуется обеспечение взаимной синхронизации процессов генерации и регистрации сигналов множества телематических приборов. Проблема заключается в отсутствии возможности (нежелательности) организации специальных физических линий для сигналов взаимной синхронизации телематических приборов.
Известен многофункциональный цифровой вычислительный прибор для измерения и генерации сигналов «ОСЦИГЕН» (патент РФ на полезную модель №33237, приоритет от 20.06.2003), содержащий аналого-цифровые и цифро-аналоговые преобразователи, блоки буферной памяти, программируемую логическую матрицу (ПЛМ), контроллеры компьютерных интерфейсов. Данный прибор принимаем за прототип. Конфигурация ПЛМ прототипа обеспечивает использование его для измерения и генерации сигналов в измерительных системах общего назначения.
Прототип обладает следующим недостатком: стандартная конфигурация его логической матрицы не позволяет обеспечивать синхронизацию процессов генерации и регистрации сигналов в нескольких приборах без использования специальных сигнальных линий.
Задачей полезной модели является расширение области применения прототипа и изменение его функций таким образом, чтобы он мог использоваться в качестве телематического прибора для измерения и генерации сигналов в распределенных системах.
Поставленная задача решается, во-первых, использованием сетевого интерфейса Ethernet для подключения прибора к компьютеру; во вторых, использованием специальной конфигурации ПЛМ, содержащей блоки управления генерацией и регистрацией сигналов, соединенные с АЦП, ЦАП и блоком синхронизации, счетчик импульсов тактовой частоты, компаратор и регистр. Данная конфигурация ПЛМ дает возможность обеспечивать взаимную синхронизацию событий в нескольких приборах «ОСЦИГЕН», осуществляющих связь с различными частями распределенного объекта.
На фиг.1 изображено использование вычислительного прибора «ОСЦИГЕН» в составе системы управления и мониторинга распределенного объекта.
На фиг.2 изображена блок-схема прибора ОСЦИГЕН с дополнительными компонентами конфигурации ПЛМ, обеспечивающие взаимную синхронизацию событий в нескольких приборов.
На фиг.1 и 2 приняты следующие обозначения:
1 - Управляющий компьютер (ПК)
2 - Сеть с пакетной коммутацией
3, 4 - Телематические приборы «ОСЦИГЕН»
5 - Распределенный объект управления и мониторинга
6 - Блок интерфейса с ПК
7 - Программируемая логическая матрица (ПЛМ)
8, 9 - Аналого-цифровые преобразователи входных каналов,
10 - Блок синхронизации
11, 12 - Цифро-аналоговые преобразователи
13 - Тактовый генератор
14 - Блоки управления генерацией и регистрацией сигналов
15 - Счетчик импульсов тактовой частоты
16 - Компаратор
17 - Регистр
Телематический прибор «ОСЦИГЕН» обеспечивает генерацию сигналов воздействия на объект с помощью цифроаналоговых преобразователей 11, 12, регистрацию сигналов с помощью аналого-цифровых преобразователей 8, 9 и синхронизацию с внешним запускающим сигналом с помощью блока синхронизации 10. Преобразователи 8, 9, 11, 12 и блок синхронизации 10 соединены с блоками управления генерацией и регистрацией сигналов 14, реализованных в программируемой логической матрице 7. Загрузка конфигурации ПЛМ 7 и управление прибором осуществляется от управляющего компьютера 1, связанного с ПЛМ 7 блоком интерфейса 6, обеспечивающим подключение по интерфейсу Ethernet к сети с пакетной коммутацией 2. Тактирование всех блоков прибора «ОСЦИГЕН» осуществляется от тактового генератора 13.
Для обеспечения синхронизации нескольких приборов используется специальная конфигурация ПЛМ 7, в которую введены дополнительные элементы: счетчик импульсов тактовой частоты 15, компаратор 16 и регистр 17. Счетчик 15 выполняет непрерывный счет импульсов тактовой частоты генератора 13 и является локальными «часами» телематического прибора, значение счетчика может быть считано по команде от ПК. В регистр 17 по команде от ПК записывается значение счетчика 15, по достижении которого должно произойти предопределенное событие (запуск) в процессах генерации и регистрации сигналов. В момент достижения этого значения срабатывает компаратор 16, что приводит к аппаратному запуску предварительно запрограммированных процессов в блоке управления генерацией и регистрацией сигналов 14. Текущее значение счетчика 15 может использоваться блоком управления генерацией и регистрацией сигналов 14 в качестве меток времени для процессов регистрации сигналов (событий) от объекта.
Подача сигналов воздействия и регистрация сигналов отклика объекта мониторинга и управления 5 обеспечивается несколькими телематическими приборами 3, 4, связанными с управляющим компьютером 1 сетью с пакетной коммутацией 2. Для обеспечения взаимной синхронизации событий (запуска процессов генерации и регистрации сигналов) в нескольких приборах управляющий компьютер 1 периодически опрашивает значения счетчиков 15 телематических приборов 3, 4, фиксируя моменты времени отправки запроса и приема ответного сообщения. Таким образом, обеспечивается привязка шкал времени телематических приборов 3, 4 к шкале времени управляющего компьютера 1, принимаемой за эталонную шкалу времени для системы управления и мониторинга данного объекта. Для синхронного выполнения действий в нескольких телематических приборах управляющий компьютер 1 назначает момент времени в недалеком будущем, вычисляет соответствующие ему значения счетчиков 15 телематических приборов 3, 4, и по сети 2 посылает им команды занесения расчетных значений в регистры 17. В запланированный момент времени в телематических приборах 3, 4 срабатывают компараторы 16, что приводит к запуску предопределенных процессов генерации и регистрации сигналов. Погрешность синхронизации запуска этих процессов определяется стабильностью тактовых генераторов 13 телематических приборов 3, 4, а также погрешностью согласования шкал времени телематических приборов со шкалой времени управляющего компьютера 1. Погрешность согласования шкал времени зависит от величины и флуктуации задержки доставки пакетов по сети 2 и применяемого алгоритма синхронизации. Оценки среднеквадратичного отклонения моментов запуска процессов от планирования составляют 0,15-0,2 мс для объектов, распределенных в пределах охвата локальных сетей и 10 мс в пределах региональной сети (используя сеть Интернет). Значения счетчиков 15 могут также использоваться для привязки к шкале времени процессов в объекте, зарегистрированных телематическими приборами 3, 4.